Plus fins qu'un cheveu, des scientifiques utilisent une sonde pour « surveiller » le cerveau humain

Résumé :

Selon un article paru dans le magazine Nature du 2 novembre, des sondes neuronales ultrafines appelées Neuropixels changent la façon dont les scientifiques étudient le cerveau. Cet appareil, plus fin qu'un cheveu humain, peut enregistrer simultanément l'activité électrique de centaines de neurones, permettant ainsi aux chercheurs d'observer le processus de traitement de l'information à l'intérieur du cerveau avec une précision sans précédent. À l’heure actuelle, cette technologie est progressivement entrée dans la recherche sur le cerveau humain à partir d’expérimentations animales.

Dans une salle d'opération d'un hôpital de Londres, des scientifiques tentent d'« écouter » directement le cerveau humain.

Une patiente a subi une opération de dérivation pour une hydrocéphalie à pression normale à l'hôpital national de neurologie et de neurochirurgie de Londres, au Royaume-Uni. Au cours de l'opération, elle a accepté de participer à une expérience spéciale : le médecin a brièvement inséré une sonde Neuropixels, d'environ 1 centimètre de long et plus fine qu'un cheveu, dans le cerveau pour enregistrer les signaux électriques des neurones en temps réel.

Les chercheurs ont ensuite fait jouer une série de mots aux patients, notamment « angle mort », « place de stationnement » et « tirelire », pour voir comment le cerveau traitait les transitions entre les différents mots et comment la fréquence et la familiarité des mots affectaient l'activité neuronale.

Lorsque le son résonnait dans la salle d'opération, la forme d'onde du signal nerveux sur l'écran de surveillance a changé de manière significative. Cela signifie que les chercheurs ont pu capturer la réponse en temps réel du cerveau humain à la stimulation du langage externe grâce à des sondes.

Dans le passé, même si les scientifiques étaient capables d'utiliser l'électroencéphalographie ou des électrodes implantées pour surveiller l'activité cérébrale humaine, ils ne pouvaient souvent obtenir que des signaux produits par un grand nombre de neurones, ce qui rendait difficile la distinction de ce que faisaient chaque neurone.

Pierre Bourdillon, neurochirurgien à l'hôpital de la Fondation Rothschild à Paris, en France, a utilisé une métaphore frappante pour expliquer la percée de cette technologie.

La surveillance EEG traditionnelle revient à placer un microphone à un carrefour très fréquenté et à essayer de distinguer la conversation de chaque personne du fouillis de sons. Neuropixels se rapproche de l'installation de microphones sur le collier de chaque personne pour entendre les voix des différents individus.

« Nous commençons tout juste à arriver au point où nous pouvons avoir des microphones individuels pour tout le monde », a-t-il déclaré.

La principale avancée de cette technologie est qu'elle permet aux scientifiques d'observer simultanément l'activité d'un grand nombre de neurones individuels.

Neuropixels a été lancé pour la première fois en 2017 et a été développé en coopération avec des institutions telles que le Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Park aux États-Unis et le Centre belge de recherche en microélectronique (Imec).

La sonde Neuropixels de première génération dispose de 960 sites d'enregistrement, dont 384 peuvent lire les signaux simultanément. Son corps de sonde en silicium est aussi fin qu'un cheveu et est connecté à une puce de la taille d'une carte Nano SIM, chargée de lire, d'amplifier et de numériser les signaux neuronaux.

Lors des premières expériences sur les animaux, les scientifiques ont implanté deux sondes dans le cerveau de souris et ont réussi à enregistrer environ 700 neurones répartis dans 5 régions du cerveau en même temps.

Neuropixels 2.0, lancé en 2021, améliore encore les capacités d'enregistrement, avec 5120 sites d'enregistrement, dont 1536 lisibles simultanément, et l'appareil est devenu plus léger.

Grâce à une nouvelle génération de technologie, les scientifiques ont pu enregistrer simultanément des dizaines de milliers de neurones dans le cerveau de souris et, dans certaines expériences, les suivre pendant des mois.

Cela signifie que les chercheurs ne peuvent plus seulement observer l'activité d'une zone locale du cerveau, mais peuvent plutôt étudier comment différentes zones du cerveau fonctionnent ensemble.

En 2025, une recherche collaborative internationale a obtenu des résultats à plus grande échelle.

Douze laboratoires des États-Unis et d'Europe ont mené conjointement des recherches en utilisant la technologie Neuropixels pour enregistrer les activités de plus de 620 000 neurones dans 279 régions du cerveau chez 139 souris et dresser une carte de l'activité neuronale de l'ensemble du cerveau impliquant des fonctions telles que la vision, le mouvement et la prise de décision.

Des recherches ont montré que

les signaux neuronaux liés à la sensation, à la cognition et au mouvement pourraient être plus largement distribués dans le cerveau qu'on ne le pensait auparavant.

Aujourd'hui, les Neuropixels ont été utilisés par environ 1 700 laboratoires à travers le monde, et les sujets de recherche couvrent plus de 20 animaux, dont des souris, des diamants mandarins, des lézards dragons barbus et même des poulpes.

Dans la recherche sur les primates, la technologie a également apporté des changements importants.

Tirin Moore, neuroscientifique à l'Université de Stanford, a déclaré qu'avant l'avènement des Neuropixels, les chercheurs ne pouvaient généralement enregistrer l'activité que d'environ 20 neurones de primates par jour, même si leurs expériences se déroulaient bien. Aujourd’hui, ils sont capables d’enregistrer régulièrement à partir d’au moins 100 neurones.

Moore estime que sans de tels outils, la recherche en neurosciences sur les primates restera très limitée.

Actuellement, l'équipe de recherche de l'Université Stanford prévoit d'utiliser les Neuropixels pour dessiner des cartes d'activité neuronale haute résolution du système visuel des macaques afin de mieux comprendre comment le cerveau traite les informations visuelles.

Il convient de noter que

Les neuropixels ne sont pas exactement les mêmes que les dispositifs implantables destinés aux applications d'interface cerveau-ordinateur.

Son utilisation principale actuelle est la recherche fondamentale en neurosciences, aidant les scientifiques à comprendre des processus tels que la sensation, le mouvement, la cognition et la prise de décision en enregistrant l'activité neuronale. Bien que des recherches connexes puissent constituer une base pour les futures technologies d’interface cerveau-ordinateur et la recherche sur les maladies neurologiques, cela ne signifie pas que Neuropixels dispose de capacités de traitement clinique matures.

"Nature" a souligné que les Neuropixels poussent les neurosciences vers une nouvelle étape : les scientifiques peuvent non seulement observer si différentes zones du cerveau sont actives, mais également étudier plus en détail comment les neurones individuels participent au traitement complexe de l'information.

Des souris aux primates en passant par les salles d'opération humaines, cette sonde très fine aide les scientifiques à explorer le mécanisme de fonctionnement du cerveau humain avec une plus grande précision.