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Des cellules nerveuses artificielles pourraient guérir des maladies chroniques

Les chercheurs ont reproduit les propriétés électriques des neurones biologiques dans des puces à semi-conducteurs. Leur technologie pourrait aider à réparer les dommages causés par des affections telles que l’insuffisance cardiaque et la maladie d’Alzheimer.

Santé

Avec sa promesse d’apporter de nouvelles connaissances pour le diagnostic et le traitement d’affections aussi variées que le cancer ou les maladies cardiovasculaires et neurodégénératives, la médecine bioélectronique est en ce moment au centre de l’attention. Regroupant divers domaines tels que la biochimie, la médecine moléculaire, les neurosciences, l’immunologie, le génie électrique et mécanique, l’informatique et les mathématiques, la médecine bioélectronique étudie la signalisation électrique dans le système nerveux. Les chercheurs de ce domaine utilisent déjà ces informations pour créer des dispositifs biomédicaux qui explorent des réseaux neuronaux complexes. Cependant, le développement de neurones artificiels a été laborieux en raison des défis posés par la biologie complexe et les réponses neuronales difficiles à prévoir. Une équipe de scientifiques soutenue par le projet CResPace, financé par l’UE, a relevé ce défi. L’équipe a développé des neurones artificiels sur des puces de silicium qui imitent avec précision de vraies cellules nerveuses vivantes répondant à toute une série de stimulations. Leurs résultats ont été publiés dans la revue «Nature Communications». «Notre approche combine plusieurs découvertes qui ouvrent de nouveaux horizons à l’ingénierie neuromorphique, de la programmation d’ordinateurs analogiques aux bio-implants souples.»

Idéal pour les implants médicaux

Un communiqué de presse de l’Université de Bath, coordinatrice du projet CResPace, résume les conclusions de l’étude. «D’un point de vue critique, les neurones artificiels se comportent non seulement comme des neurones biologiques, mais n’ont besoin que d’un milliardième de la puissance d’un microprocesseur, ce qui les rend parfaitement adaptés à une utilisation dans les implants médicaux et autres dispositifs bioélectroniques.» Le communiqué explique: «Les neurones artificiels pourraient réparer les biocircuits malades en reproduisant leur fonction saine et en répondant de manière adéquate aux réactions biologiques pour restaurer les fonctions corporelles. En cas d’insuffisance cardiaque par exemple, les neurones à la base du cerveau ne répondent pas correctement aux rétroactions du système nerveux, ils n’envoient pas à leur tour les bons signaux au cœur, qui ne pompe alors pas aussi fort qu’il le devrait.» Il souligne en outre les défis liés à la création de neurones artificiels et explique comment les scientifiques les ont surmontés. «Les chercheurs ont réussi à modéliser et à dériver des équations pour expliquer comment les neurones réagissent aux stimuli électriques d’autres nerfs. C’est incroyablement compliqué, car les réponses sont “non linéaires”. En d’autres termes, si un signal devient deux fois plus fort, il ne devrait pas nécessairement provoquer une réaction deux fois plus importante, elle pourrait être trois fois plus forte ou d’une tout autre nature.» Cité dans le même communiqué de presse, l’auteur principal, le professeur Alain Nogaret de l’Université de Bath, déclare: «Notre travail change le paradigme, car il fournit une méthode rigoureuse pour reproduire les propriétés électriques de vrais neurones dans les moindres détails.» Il ajoute que l’équipe «développe des stimulateurs cardiaques intelligents qui ne se contenteront pas de stimuler le cœur pour qu’il pompe à un rythme régulier, mais utiliseront ces neurones pour répondre en temps réel aux sollicitations du cœur, ce qui se produit naturellement dans un cœur sain. D’autres applications possibles pourraient être le traitement de maladies telles que la maladie d’Alzheimer et les maladies dégénératives neuronales en général». Le projet CResPace (Adaptive Bio-electronics for Chronic Cardiorespiratory Disease), qui a soutenu l’étude, doit prendre fin en décembre 2021. Une application clé de la technologie développée par le projet concerne la resynchronisation cardiaque adaptative qui repose sur de petits réseaux neuronaux connus sous le nom de réseaux locomoteurs spinaux («central pattern generators» ou CPG). Ces circuits neuronaux contrôlent plusieurs fonctions comme la respiration et le rythme cardiaque, ainsi que la coordination entre les muscles responsables de la déglutition. Le projet réplique les CPG avec du matériel informatique physique pour reproduire le contrôle naturel du rythme cardiaque et resynchroniser les cavités cardiaques. Les partenaires du projet espèrent que le projet CResPace permettra de prolonger et d’améliorer la qualité de vie des patients. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet CResPace

Pays

Royaume-Uni

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