Stentrodes : un moyen d’insérer des électrodes cérébrales sans chirurgie invasive

Lorsque nous pensons aux interfaces cerveau-ordinateur (BCI) qui utilisent des électrodes, nous pensons généralement aux réseaux Utah qui sont placés directement sur le cerveau lors d’une chirurgie à cerveau ouvert, ou avec de fines électrodes épissées dans le cerveau exposé comme postulé par Neuralink. Alors que les réseaux et parents de l’Utah en tant que concept pratique remontent aux années 1980, un concept plus récent appelé Stentrodes – pour réseau stent-électrode – cherche à éliminer le besoin de chirurgie cérébrale invasive.

Comme son nom l’indique, cette approche utilise des stents qui sont insérés via les vaisseaux sanguins, où ils sont dilatés et donc fermement placés à l’intérieur d’un vaisseau sanguin à l’intérieur du cerveau. Étant donné que chacun de ces stents comporte également un réseau d’électrodes, ceux-ci peuvent être utilisés pour enregistrer l’activité neuronale dans les grappes neuronales voisines, ainsi que pour induire une activité par stimulation électrique.

En raison du fait que les stents sont déjà couramment utilisés seuls dans les vaisseaux sanguins du cerveau et de la nature relativement bénigne de ces réseaux d’électrodes, des essais sur l’homme ont déjà été approuvés en 2018 par un comité d’éthique en Australie. Malgré les inquiétudes persistantes quant à la résolution et aux performances réalisables de cette approche, elle peut offrir de l’espoir à des millions de personnes souffrant de paralysie et d’autres conditions.

Utilisation de l’infrastructure existante

Artères du cerveau.  (Crédit : MedlinePlus, NIH)
Artères du cerveau. (Crédit : MedlinePlus, NIH)

Le cerveau humain est de tous les organes du corps celui qui dépend le plus d’un apport constant d’oxygène et de nutriments pour fonctionner et survivre, et possède donc un réseau très dense de vaisseaux sanguins qui innervent chaque partie. Alors que beaucoup de ces vaisseaux sanguins sont trop étroits pour des interventions médicales telles qu’un stent cérébrovasculaire, à commencer par les artères et les veines jugulaires, une grande partie de la vascularisation cérébrale est ainsi accessible.

Dans le cas d’une Stentrode, une approche similaire est donc utilisée comme avec un stent ordinaire, en ce sens qu’à l’aide d’un fil de guidage, le dispositif est guidé en position via la veine jugulaire et un suivi externe pour s’assurer qu’il atteint l’emplacement approprié avant le déploiement. Au cours de quelques semaines, le stent s’ancre complètement à l’intérieur du vaisseau sanguin, où il peut rester pratiquement indéfiniment pour fournir un support mécanique ou toute autre fonction requise.

Alors que pour le traitement des conditions cérébrovasculaires à l’aide de stents, il n’y a aucun doute sur la raison pour laquelle vous voudriez utiliser cette approche – puisque le seul objectif est de déployer le stent de soutien à l’intérieur du vaisseau sanguin – dans le cas d’un réseau d’électrodes censé interagir avec les neurones du cerveau, il y a la question de savoir pourquoi vous voudriez choisir cette approche.

Tableau Utah tiré du brevet de Richard Normann. Cette partie va dans votre cerveau.

La réponse évidente est qu’il s’agit d’une chirurgie non invasive, sans ouverture du crâne et avec peu de risques de complications telles qu’une inflammation du cerveau et d’autres effets indésirables pouvant résulter d’une chirurgie cérébrale invasive. Cela le rend très différent de l’approche standard des réseaux Utah (ou microélectrodes), ainsi que des chaînes d’électrodes proposées par Neuralink. Théoriquement, les stentrodes pourraient être placées sous anesthésie locale, avec un temps de récupération pratiquement nul par la suite.

Bien que les avantages ici soient évidents, les questions qui subsistent sont de savoir comment les performances des Stentrodes se comparent à d’autres réseaux d’électrodes, et si les Stentrodes présentent un risque à long terme en termes de coagulation du sang et de problèmes cardiovasculaires similaires, en raison de la nécessité d’avoir des conducteurs à l’intérieur. veines cérébrales pour conduire des signaux vers et depuis le réseau.

Vérification des études

Les premières recherches sur ces réseaux endovasculaires stent-électrodes remontent aux années 1970 (Penn et al., 1973), avec Soldozy et al. (2020) fournissant une revue systématique de la littérature dans le Journal de neurochirurgie. Comme l’ont noté Bower et al. (2013), pour les implants neuronaux traditionnels, une chirurgie transcrânienne est nécessaire, via un trou de fraisage ou une craniotomie (soulèvement d’une partie du crâne), ce qui limite l’attrait de l’utilisation d’implants intracrâniens.

Dans Bower et al. étude, ils ont comparé des électrodes intravasculaires avec des électrodes sous-durales, trouvant une réponse d’enregistrement similaire avec une activité épileptique induite pour les deux. Dans Opie et al. (2016) étude de preuve de concept Des implants Stentrode ont été utilisés pour stimuler des parties du cortex moteur d’un mouton avec un courant de 4 mA à 6 mA.

A : Schéma d'un cerveau de mouton montrant le cortex moteur (rouge) et les représentations somatotopiques des membres postérieurs (jaune), des membres antérieurs (vert), de la tête et des yeux (bleu) et des muscles faciaux (violet).  B : Phlébographie contrastée d'un mouton mettant en évidence les vaisseaux corticaux.  L'astérisque indique l'emplacement souhaité de la pointe de l'endoprothèse en A et B. Barre = 2 cm.  C : réseau d'électrodes de stent (Stentrode) à l'intérieur du cathéter de livraison de diamètre interne de 1,04 mm avant le déploiement.  Barre = 1 cm.  D : Stentrode entièrement expansée.  Republié avec la permission d'IOP Publishing, Ltd, de Chronic impedance spectroscopy of an endovascular stent-electrode array : Opie NL, John SE, Rind GS, et al., J Neural Eng 13(4) : 046020, 2016.
UN: Schéma d’un cerveau de mouton montrant le cortex moteur (rouge) et les représentations somatotopiques des membres postérieurs (jaune), des membres antérieurs (vert), de la tête et des yeux (bleu) et des muscles faciaux (violet). B : Phlébographie contrastée d’un mouton mettant en évidence les vaisseaux corticaux. L’astérisque indique l’emplacement souhaité de la pointe de l’endoprothèse en A et B. Barre = 2 cm. C : Réseau d’électrodes de stent (Stentrode) à l’intérieur du cathéter de mise en place de diamètre interne de 1,04 mm avant le déploiement. Barre = 1 cm. RÉ: Stentrode entièrement expansé. Republié avec la permission d’IOP Publishing, Ltd, de Chronic impedance spectroscopy of an endovascular stent-electrode array : Opie NL, John SE, Rind GS, et al., J Neural Eng 13(4) : 046020, 2016.

Dans une étude avec deux moutons qui avaient soit juste une Stentrode, soit une Stentrode ainsi qu’un implant sous-dural et épidural sur l’un ou l’autre hémisphère cérébral, Forsyth et al. (2019) ont constaté que la précision de la détermination du mouvement du mouton à partir des données enregistrées était aussi bonne, sinon meilleure, uniquement avec la Stentrode. Avec les résultats, par exemple, de John et al. (2019) qui a vu une étude similaire réalisée, cela suggère que les stentrodes pourraient être un implant IMC viable.

Cela laisse alors principalement la question des implications à long terme du câblage dans ces vaisseaux sanguins, en particulier en termes de coagulation et d’autres complications potentiellement mortelles. Dans la méta-analyse, la durée maximale de l’étude avec des sujets ovins vivants était de 190 jours. À la fin de l’étude, les moutons ont été euthanasiés et une autopsie a été réalisée pour évaluer l’état de l’implant.

Les dispositifs utilisés ont été fabriqués à partir de Nitinol, qui semble avoir une bonne biocompatibilité et in vivo est observé pour induire une couverture néointimale, qui stabilise et ancre le matériau dans la paroi du vaisseau sanguin. Il est probable que cela empêchera également la formation de caillots sanguins, bien que des études à long terme soient nécessaires pour une conclusion solide ici.

Sujets de test humains

Réseau de stentrodes avec unité d'émetteur-récepteur.  (Crédit : Synchron Medical, Inc.)
Réseau de stentrodes avec unité d’émetteur-récepteur. (Crédit : Synchron Medical, Inc.)

Comme indiqué précédemment, la nature peu invasive d’un implant Stentrode et son adaptation des dispositifs et techniques médicaux existants et approuvés ont fait ses tests sur des sujets humains. La société commercialisant le Stentrode, Synchron Medical, mène actuellement un essai clinique dans quelques endroits en Australie. Cette étude cible les personnes qui ont subi une blessure ou qui ont une condition qui les empêche d’utiliser pleinement leurs membres.

À l’aide de ce que Synchron appelle la neuroprothèse motrice, ces sujets sont implantés avec des stentrodes qui enregistreront l’activité dans leur cortex moteur et rétabliront finalement le contrôle musculaire des membres du patient. L’étude n’ayant commencé qu’en juin 2022, il faudra encore jusqu’à la fin de 2023 avant que l’étude ne fournisse des résultats pour déterminer s’il s’agit d’un traitement viable pour les personnes souffrant de paralysie, mais qui ont toujours un cortex moteur fonctionnel.

Plus de détails sont fournis sur le site Web de Synchron, qui répertorie les essais cliniques passés, en cours et à venir. L’essai clinique qui vient de débuter fait suite à l’essai Switch 1, qui a confirmé la biocompatibilité du dispositif chez un sujet humain. L’essai clinique Command semble similaire à l’essai Switch 2, mais se déroule aux États-Unis. Les sujets de l’essai sont implantés avec le dispositif Stentrode et une unité d’émetteur-récepteur dans la poitrine, la communication avec l’émetteur-récepteur se produisant apparemment via Bluetooth.

Pas de solution miracle

Comme pour toutes les interfaces cerveau-machine, il reste important de comprendre les limites de la technologie actuelle. Un aspect majeur de la plupart des dispositifs d’enregistrement de l’activité cérébrale utilisés aujourd’hui et dans les essais cliniques est qu’ils sont unidirectionnels. Par exemple, ils lisent l’activité dans le cortex moteur et utilisent ces données pour interpréter l’action prévue et effectuer le mouvement des membres. Pourtant, l’entrée sensorielle de la partie du corps manipulée n’est pas renvoyée au cortex sensoriel du patient, mais finit par s’épuiser dans la moelle épinière ou partout où la discontinuité commence.

C’est quelque chose qui est également abordé par la recherche actuelle, mais le défi reste de fournir une interface robuste entre les systèmes informatiques et la nature instable des systèmes biologiques. Idéalement, nous pourrions fournir une cartographie 1: 1 entre le cortex moteur et les muscles, et revenir des capteurs aux parties du cerveau qui traitent le toucher et d’autres entrées sensorielles, afin de restaurer la fonctionnalité biologique complète.

Ce qui est cependant encourageant, c’est de voir des approches multiples, différentes et peut-être complémentaires, être employées et développées. Même si nous n’avons pas encore le moyen parfait de réparer les ravages des blessures et des maladies, avec un effort soutenu, nous trouverons des moyens de résoudre les problèmes restants. Que la meilleure solution se révèle être des thérapies régénératives entièrement électriques des tissus restants, ou une combinaison de celles-ci, c’est l’amélioration de la qualité de vie que ces thérapies apportent qui les rend si intéressantes à poursuivre.