Enregistrer le cerveau au travail avec des milliers de capteurs

« Comment fonctionne le cerveau? » est une question aussi vieille que le cerveau lui-même. Le cerveau est composé de milliards de neurones et de quadrillions de connexions entre eux. Quelque part dans ce réseau vaste et complexe se trouve la base biologique de l’apprentissage, de la mémoire, du comportement, de la perception et de la conscience. Les neurones sont des cellules cérébrales spécialisées qui reçoivent et transmettent des informations à l’aide de potentiels d’action ou de petites impulsions électriques. L’écoute clandestine de cette conversation pourrait donner des indices sur le fonctionnement du cerveau et sur ce qui se passe dans les maladies du cerveau telles que la maladie de Parkinson ou l’épilepsie.

Les neurosondes, comme la sonde Neuropixels d’imec, sont de petits implants cérébraux contenant un certain nombre d’électrodes ou de sites d’enregistrement (pixels) pour enregistrer les signaux électriques des neurones. Les sondes Neuropixels d’Imec sont actuellement utilisées dans plus de 400 laboratoires à travers le monde. Avec plus de 5 000 électrodes d’enregistrement réparties sur quatre très petites tiges de surface (70×24 µm2) dans les sondes Neuropixels 2.0 de nouvelle génération, les neuroscientifiques peuvent enregistrer de manière stable des milliers de neurones de différentes zones du cerveau sur de longues périodes, tout en causant à peine des dommages aux tissus cérébraux. Ces sondes neuronales peuvent couvrir plusieurs zones et circuits du cerveau tout en offrant une résolution à cellule unique. Les outils permettent d’interroger les circuits cérébraux, ce qui pourrait conduire à une meilleure compréhension du cerveau lui-même et des maladies du cerveau.

Détail et aperçu

Les électrophysiologistes neuronaux étudient l’activité électrique du cerveau pour déterminer comment surviennent les troubles neuronaux. Pour cela, il est impératif à la fois d’avoir une vue d’ensemble des différentes zones cérébrales et de capter les signaux électriques des neurones individuels. Les neurones sont organisés en circuits cérébraux, et ces circuits dans plusieurs zones cérébrales collaborent pour accomplir une tâche. Pour comprendre comment le cerveau remplit cette tâche, les neuroscientifiques examinent quelle partie du circuit traite les données en premier, comment les informations circulent et quel rôle les neurones individuels jouent dans le processus.

Les progrès dans ce domaine ont été lents en raison des limites des outils existants. La technique du patch-clamp s’attache à un neurone et peut mesurer cette activité de manière très fiable, mais manque d’une vue d’ensemble du réseau entourant le neurone. D’un autre côté, les solutions d’imagerie telles que l’IRMf se concentrent sur des zones cérébrales plus larges mais manquent les détails d’un seul neurone. La microscopie in vivo permet d’obtenir des images de neurones uniques mais n’a pas accès aux tissus profonds. Neuropixels vise à combler le fossé en fournissant une solution qui est non seulement très détaillée, mais s’étend également sur une grande surface, à la fois horizontalement et verticalement. Cette forte densité de sites d’enregistrement pourrait être comparée aux pixels d’une caméra qui forment une « image » du cerveau.

Questions de taille

La sonde Neuropixels de première génération, désormais disponible pour la communauté mondiale de la recherche, contient 960 électrodes sur une aiguille fine de 24 x 70 µm appelée tige. La deuxième génération (Neuropixels 2.0) contient 1 280 électrodes sur une seule tige et dispose de quatre tiges ! Dans les deux versions, il s’agit d’un ordre de grandeur supérieur à celui de toute autre sonde neuronale disponible. Il permet aux utilisateurs d’enregistrer l’empreinte électrique de centaines à des milliers de neurones en une seule session. De plus, le Neuropixels 2.0 à quatre tiges permet des enregistrements à partir de plus de 5 000 sites. Cela signifie qu’il peut échantillonner de manière dense l’activité à partir d’un plan de 1 x 10 mm perpendiculaire à la surface du cerveau, atteignant ainsi des milliers de neurones. Le nombre de neurones peut même être augmenté en enregistrant simultanément à partir de deux sondes Neuropixels 2.0. Des expériences ont montré que cela est possible avec seulement peu de dégâts. C’est extrêmement important car les dommages au tissu cérébral ont un effet néfaste sur les performances d’enregistrement.

L’implantation d’une sonde inflige plus que des dommages directs aux neurones. La sonde étant un corps étranger, elle induit également une réaction inflammatoire dans l’organisme. En réponse, du tissu cicatriciel se développe autour de lui et bloque le signal électrique des neurones. De plus, l’activation constante de cellules neuro-inflammatoires sécrétant des facteurs neurotoxiques pourrait créer un environnement inhospitalier pour les neurones. Tous ces événements combinés contribuent à une perte du signal d’enregistrement au fil du temps. De toute évidence, il est essentiel de minimiser les dommages au cerveau et, par conséquent, la taille de l’implant est un paramètre crucial.

Comment placer un millier d’électrodes sur une aiguille fine

La limite fondamentale du nombre d’électrodes pouvant être enregistrées simultanément est le nombre de fils pouvant être placés sur la tige. Pour les sondes Neuropixels actuelles, un maximum de 384 lignes d’interconnexion sont acheminées entre les électrodes dans la tige et les amplificateurs dans la base. Cela signifie que 384 électrodes sélectionnées parmi le nombre total de sites d’enregistrement peuvent être adressées en même temps. Une matrice de commutation locale (multiplexeur) permet à l’utilisateur de choisir les sites préférés afin que la zone cérébrale de son choix puisse être enregistrée. Les commutateurs peuvent être réinitialisés à partir du logiciel en moins d’une seconde sans aucune manipulation physique.

Cette prouesse technique est rendue possible sur une plaquette de silicium en utilisant des techniques de fabrication CMOS avancées, avec des caractéristiques aussi petites que 130 nm. Même le matériau d’électrode TiN est fabriqué à l’échelle d’une plaquette et est compatible CMOS. Le TiN est un nouveau matériau d’électrode mais s’est avéré biocompatible et stable (c’est-à-dire qu’il ne se dégrade pas) sur une longue période lorsqu’il est implanté dans le cerveau. Parce que la sonde est si fine, plus fine qu’un cheveu humain, le silicium commencerait à s’enrouler. Par conséquent, imec a développé une technique de compensation des contraintes pour empêcher le matériau de se plier.

Rendre les neuropixels encore plus petits

La tige et la base de la sonde sont fabriquées en une seule pièce. Alors que la tige maintient les électrodes d’enregistrement, la base contient des composants électroniques pour le filtrage, l’amplification, le multiplexage, la numérisation et la gestion de l’alimentation. Les signaux neuronaux sont prétraités sur la base de la sonde au lieu d’utiliser un équipement externe – une « sonde active » – qui garantit qu’aucune perte de signal ne se produit lorsque le signal quitte la sonde. Parce que les signaux de tension sont si petits, ils doivent être amplifiés et filtrés pour améliorer les signaux de tension pertinents. Enfin, le signal analogique est numérisé sur la base de la sonde, pour éviter de capter plus de bruit lors de son passage dans le câble externe.

La sortie numérique de tous les canaux est ensuite transmise à une carte d’interface (ou tête) qui peut être connectée à la configuration d’enregistrement. Outre la sonde, la carte d’interface de Neuropixels 2.0 a également été miniaturisée à environ la moitié de la taille de la première génération. De nombreux blocs de la carte d’interface, en particulier les blocs permettant de générer des tensions d’alimentation et de référence, ont été transférés dans la puce de base pour obtenir la réduction de surface. Étant donné que la gestion de l’alimentation est intégrée, la consommation électrique totale de la platine et de la sonde ensemble est réduite dans les Neuropixels 2.0 par rapport à la première génération.

Enregistrements à long terme rendus possibles

Le but ultime des enregistrements chroniques est d’enregistrer à partir des mêmes neurones pendant des jours et des semaines pour étudier la base neuronale des processus qui évoluent dans le temps, tels que l’apprentissage et la mémoire. Cet objectif a été difficile pour de grandes populations de neurones, car les neurones peuvent mourir au fil du temps en raison de lésions tissulaires ou disparaître ou dériver vers d’autres électrodes en raison du mouvement du cerveau. À ce stade, les identifier comme le même neurone est difficile lorsque les électrodes sont très espacées.

Dans les sondes Neuropixels 2.0, l’introduction d’une disposition d’électrodes symétrique linéaire sur la tige de la sonde, ainsi que le développement d’un algorithme de stabilisation par le consortium Neuropixels neuroscience, permet le suivi des neurones identifiés pendant des semaines malgré la dérive et la perte de cellules. L’algorithme effectue une stabilisation informatique post-hoc similaire à l’enregistrement d’images (lorsque vous souhaitez faire correspondre deux images). La conception du pas et de la configuration des électrodes est cruciale pour que le processus fonctionne. Contrairement à la première génération de sondes, les Neuropixels 2.0 ont un pas réduit avec un espacement centre à centre de 15 m le long de la dimension verticale, et les électrodes sont désormais alignées verticalement en deux colonnes plutôt qu’en quinconce le long de la tige. Les deux caractéristiques garantissent que le signal du même neurone peut être capturé sur des sites d’enregistrement adjacents. L’algorithme utilise ces informations redondantes pour identifier et suivre de manière fiable le même neurone au fil du temps. Neuropixels 2.0 a montré des enregistrements stables des mêmes neurones avec des signaux de haute qualité pendant plus de deux mois, obtenus dans six laboratoires différents du consortium.

Le succès de Neuropixels peut être attribué au partenariat étroit et unique entre imec et le consortium Neuropixels, qui comprend des partenaires financiers engagés et des neuroscientifiques de renommée mondiale. Les partenaires neuroscientifiques ont contribué à la conception sur la base de leur propre expérience et ont pris en compte les besoins de la communauté neuroscientifique. Après chaque étape de conception, le consortium teste minutieusement le prototype et fournit des commentaires avant que la prochaine version de la sonde ne soit optimisée. Actuellement, nos partenaires de recherche évaluent la version « alpha » de la sonde Neuropixels 2.0. La version « bêta » révisée devrait être publiée dans la communauté des neurosciences en 2022.

Le programme Neuropixels de l’IMEC a été financé par le Howard Hughes Medical Institute (HHMI), le Wellcome Trust et la Gatsby Foundation via l’University College London (UCL) et l’Allen Institute of Brain Research (AIBR). Plus récemment, d’autres bailleurs de fonds ont inclus l’Institut flamand de biotechnologie (VIB) et la Katholieke Universiteit Leuven (KUL) via Neuroelectronics Research Flanders (NERF), l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU) et le Centre Champalimaud pour l’inconnu.

Ressources

Pour plus d’informations sur les sondes, les commandes, la formation et les dernières nouveautés sur la prochaine génération, rendez-vous sur www.neuropixels.org.

Vous trouverez plus d’informations sur le programme de sondes neuronales d’imec sur leur site Web : https://www.imec-int.com/en/expertise/lifesciences/neural-probes

Les informations de recherche sur les sondes Neuropixels ont été publiées dans les articles suivants, qui peuvent être demandés via ce formulaire https://www.imec-int.com/en/about-us/imec-magazine/contact-form-imec-magazine

• Jun, J., Steinmetz, N., Siegle, J. et al. Sondes en silicium entièrement intégrées pour l’enregistrement haute densité de l’activité neuronale. Nature 551, 232-236 (2017). DOI : 10.1038/nature24636.
• Steinmetz NA et al. Neuropixels 2.0 : une sonde haute densité miniaturisée pour des enregistrements cérébraux stables et à long terme. Science 372, eabf4588 (2021). DOI : 10.1126/science.abf4588.
• Wang S., Garakoui SK, Chun H., Salinas DG, Sijbers W., Putzeys J., Martens E., Craninckx J., Van Helleputte N., Lopez CM Une sonde neuronale CMOS à quatre tiges compacte avec 5 120 sites d’enregistrement adressables et 384 canaux parallèles entièrement différentiels. Système de circuits IEEE Trans Biomed. 2019 décembre ; 13(6) : 1625-1634. DOI : 10.1109/TBCAS.2019.2942450. Publication en ligne du 19 septembre 2019. PMID : 31545741.
• Mora Lopez C., Putzeys J., Raducanu BC, Ballini M., Wang S., Andrei A., Rochus V., Vandebriel R, Severi S., Van Hoof C., Musa S., Van Helleputte N., Yazicioglu RF, Mitra S. Une sonde neuronale avec jusqu’à 966 électrodes et jusqu’à 384 canaux configurables en 0,13 µm SOI CMOS. Système de circuits IEEE Trans Biomed. 2017 juin;11(3):510-522. DOI : 10.1109/TBCAS.2016.2646901. Publication en ligne du 19 mai 2017. PMID : 28422663.