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Le dispositif, nommé BAGUETTE, fonctionne comme un « stimulateur cardiaque pour le cerveau », surveillant l’activité électrique du cerveau et délivrant une stimulation électrique s’il détecte quelque chose de mal.

Ces dispositifs peuvent être extrêmement efficaces pour prévenir les tremblements débilitants ou les convulsions chez les patients atteints de diverses affections neurologiques. Mais les signatures électriques qui précèdent une crise ou un tremblement peuvent être extrêmement subtiles, et la fréquence et la force de la stimulation électrique nécessaires pour les prévenir sont tout aussi délicates. Cela peut prendre des années de petits ajustements par les médecins avant que les appareils fournissent un traitement optimal.

WAND, qui signifie dispositif de neuromodulation sans artefact sans fil, est à la fois sans fil et autonome, ce qui signifie qu’une fois qu’il apprend à reconnaître les signes de tremblement ou de crise, il peut ajuster lui-même les paramètres de stimulation pour éviter les mouvements indésirables. Et parce qu’il est en boucle fermée – ce qui signifie qu’il peut stimuler et enregistrer simultanément – il peut ajuster ces paramètres en temps réel.

« Le processus de recherche de la bonne thérapie pour un patient est extrêmement coûteux et peut prendre des années. Une réduction significative des coûts et de la durée peut potentiellement entraîner une amélioration considérable des résultats et de l’accessibilité « , a déclaré Rikky Muller professeur adjoint de génie électrique et d’informatique à Berkeley. « Nous voulons permettre à l’appareil de déterminer quel est le meilleur moyen de stimuler un patient donné pour obtenir les meilleurs résultats. Et vous ne pouvez le faire qu’en écoutant et en enregistrant les signatures neuronales. »

WAND peut enregistrer l’activité électrique sur 128 canaux, ou à partir de 128 points du cerveau, contre huit canaux dans d’autres systèmes en boucle fermée. Pour démontrer l’appareil, l’équipe a utilisé WAND pour reconnaître et retarder les mouvements spécifiques du bras chez les macaques rhésus. L’appareil est décrit dans une étude parue aujourd’hui (Déc. 31) dans le Génie biomédical de la nature.

Ondulations dans un étang

Simultanément stimuler et enregistrer des signaux électriques dans le cerveau, c’est un peu comme essayer de voir de petites ondulations dans un étang tout en éclaboussant vos pieds — les signaux électriques du cerveau sont submergés par les grandes impulsions d’électricité délivrées par la stimulation.

Actuellement, les stimulateurs cérébraux profonds cessent d’enregistrer tout en délivrant la stimulation électrique, ou enregistrent à une partie différente du cerveau de l’endroit où la stimulation est appliquée – mesurant essentiellement les petites ondulations à un point différent de l’étang des éclaboussures.

« Afin de fournir des thérapies basées sur la stimulation en boucle fermée, ce qui est un objectif important pour les personnes qui traitent la maladie de Parkinson et l’épilepsie et une variété de troubles neurologiques, il est très important d’effectuer simultanément des enregistrements neuronaux et une stimulation, ce qu’aucun appareil commercial ne fait actuellement », a déclaré Samantha Santacruz, ancienne associée postdoctorale à l’UC Berkeley, qui est maintenant professeure adjointe à l’Université du Texas à Austin.

Chercheurs de Cortera Neurotechnologies, Inc., dirigé par Rikky Muller, a conçu les circuits intégrés personnalisés WAND qui peuvent enregistrer le signal complet des ondes cérébrales subtiles et des fortes impulsions électriques. Cette conception de puce permet à WAND de soustraire le signal des impulsions électriques, ce qui donne un signal propre des ondes cérébrales.

Les dispositifs existants sont réglés pour enregistrer des signaux uniquement à partir des ondes cérébrales plus petites et sont submergés par les grandes impulsions de stimulation, ce qui rend ce type de reconstruction de signal impossible.

« Parce que nous pouvons réellement stimuler et enregistrer dans la même région du cerveau, nous savons exactement ce qui se passe lorsque nous fournissons une thérapie », a déclaré Muller.

En collaboration avec le professeur de génie électrique et d’informatique Jan Rabaey, l’équipe a construit une plate-forme dotée de capacités de calcul sans fil et en boucle fermée pouvant être programmées pour être utilisées dans diverses applications de recherche et cliniques.

Dans des expériences menées par Santacruz alors qu’il était post-doctorant à l’Université de Berkeley, et par le professeur de génie électrique et d’informatique Jose Carmena, les sujets ont appris à utiliser un joystick pour déplacer un curseur vers un emplacement spécifique. Après une période d’entraînement, le dispositif de baguette magique était capable de détecter les signatures neuronales apparues lorsque les sujets se préparaient à effectuer le mouvement, puis de délivrer une stimulation électrique qui retardait le mouvement.

« Bien que retarder le temps de réaction soit quelque chose qui a déjà été démontré auparavant, c’est, à notre connaissance, la première fois qu’il est démontré dans un système en boucle fermée basé uniquement sur un enregistrement neurologique », a déclaré Muller.

« À l’avenir, nous visons à intégrer l’apprentissage à notre plate-forme en boucle fermée pour construire des appareils intelligents qui peuvent comprendre comment vous traiter au mieux et éviter au médecin d’avoir à intervenir constamment dans ce processus », a déclaré Muller.