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La puce reprogrammable à 11 000 électrodes élève les interfaces cerveau-ordinateur à un nouveau niveau – High-teK.ca

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La capacité de reconfigurer dynamiquement les composants matériels est devenue essentielle pour de nombreux systèmes informatiques. Par exemple, pour maintenir des performances optimales lorsque les protocoles, les débits de données ou les couches de connexion au support physique (PMA) changent dans les systèmes de communication, il est souvent essentiel de pouvoir changer plus que le logiciel. Les puces FPGA (matrice de portes programmables par l’utilisateur) modernes, qui peuvent être partiellement reconfigurées au moment de l’exécution, sont désormais utilisées de manière omniprésente pour répondre à certains de ces besoins dans les systèmes dédiés. Pour la classe de puces en évolution rapide qui ont été développées pour communiquer avec le cerveau, la capacité de reconfigurer dynamiquement les nœuds d’interface est apparue comme l’une des caractéristiques les plus souhaitables. Un groupe de chercheurs de l’Ecole polytechnique fédérale de Suisse a construit une nouvelle puce puissante qui peut être rapidement adaptée aux conditions changeantes à ses points d’interface. De plus, ils ont utilisé leur puce pour montrer que la vitesse de communication entre les neurones n’est pas indépendante des calculs qu’un cerveau pourrait effectuer, mais qu’il s’agit plutôt d’un élément essentiel du calcul lui-même.

Puces de neurones

La puce développée par le groupe suisse comporte quelque 11 011 électrodes regroupées dans une puce CMOS d’une surface inférieure à 2×2 mm. À 3 150 électrodes par millimètre carré, c’est une densité plus élevée que tout ce que nous avons vu à ce jour. Des puces à haute densité avec jusqu’à 65 000 sites de stimulation ont été fabriquées auparavant par d’autres groupes, mais elles ont généralement peu ou pas enregistrement (mesurer) la capacité. La caractéristique clé ici est que les 126 canaux conditionnés et amplifiés par le signal peuvent être commutés dynamiquement en quelques millisecondes vers l’un des sites d’électrodes de la grille, permettant un accès multirésolution aux neurones dans son champ à différentes échelles spatiales. La matrice de commutation analogique qui rend cela possible se compose de 13 00 cellules de RAM statiques qui définissent le routage.

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Ce que les chercheurs ont essentiellement construit ici est un microscope de tension pour les neurones. Lorsqu’ils l’ont formé sur une cellule individuelle, les chercheurs ont pu observer la propagation en temps réel d’une pointe électrique dans un axone. Étonnamment, ils ont découvert que la vitesse de cette impulsion changeait d’instant en instant à chaque segment le long de l’axone. Normalement, dans le cerveau, les axones sont enveloppés par des cellules gliales spéciales appelées oligodendrocytes, qui rendent la transmission du signal plus efficace. Les cellules gliales faisaient partie de la préparation de culture utilisée ici, mais on ne sait pas dans quelle mesure, le cas échéant, elles ont participé à ces effets régulateurs. En l’absence d’oligodendrocytes fonctionnels, les axones eux-mêmes pourraient en théorie contrôler la vitesse de propagation en modifiant la densité des canaux ioniques dans leurs membranes.

Les chercheurs ont pu stimuler différents points de la grille pour générer des pointes allant dans les deux sens vers le bas des axones. Leur analyse n’a pas spécifiquement abordé la question intéressante de savoir si les pointes envoyées dans la direction normale (loin du corps cellulaire) se propagent en fait plus rapidement grâce à une machinerie organisée de manière directionnelle basée sur le cytosquelette subcellulaire – mais cela pourrait en principe être étudié plus tard.

Pointe de neurone

La capacité de « regarder » les neurones électriquement à plusieurs échelles présente de nombreux avantages par rapport aux techniques qui reposent sur des colorants d’imagerie plus lents et potentiellement phototoxiques. Pour ne rien leur enlever, ces rapporteurs optiques interfèrent parfois avec la physiologie naturelle des cellules et, comme dans le cas des colorants calciques, peuvent moduler l’effet même qu’ils tentent de mesurer. Lorsqu’elle est mappée à sa résolution la plus élevée, la puce pourrait en fait résoudre les changements de forme et de position des axones au fil du temps. Théoriquement, ces mouvements pourraient être corrélés avec l’activité électrique, donnant un nouvel aperçu de la façon dont les neurones grandir et s’interconnecter. Pouvoir observer ces mouvements est utile pour comprendre ce qui se passe lorsque le signal s’arrête après que l’enregistrement ait duré un certain temps. Souvent, cette perte est attribuée aux changements d’impédance des électrodes dus à l’accumulation de matériau extracellulaire ou à d’autres effets tissulaires réactifs, mais en fait, il se peut que la cellule se soit simplement déplacée.

Comme ces nouvelles puces sont adaptées à des géométries 3D plus complexes, elles seront mieux adaptées à une utilisation à l’intérieur de cerveaux intacts. Sans aucun doute, ils seront d’une grande valeur pour créer des interfaces stables et plus agiles avec le cerveau.

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Document de recherche: doi:10.1038/ncomms3181 – « Suivi de la propagation du potentiel d’action axonale sur un réseau de microélectrodes haute densité sur des centaines de sites »

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