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 La technologie de neuromodulation sans fil pourrait améliorer la vie des patients atteints de troubles cérébraux

La technologie de neuromodulation sans fil pourrait améliorer la vie des patients atteints de troubles cérébraux

Une publication scientifique du Docteur Emily Hendersen pour la revue Médical Life Sciences News d’après l’agence : (DOE)/Argonne National Laboratory

Des scientifiques ont découvert une méthode de modulation sans fil des neurones à l’aide de rayons X qui pourrait améliorer la vie des patients atteints de troubles cérébraux. La source de rayons X ne nécessite qu’une machine comme celle que l’on trouve chez le dentiste.

De nombreuses personnes dans le monde souffrent de troubles cérébraux liés au mouvement. L’épilepsie représente plus de 50 millions de personnes, le tremblement essentiel, 40 millions et la maladie de Parkinson, 10 millions.

Certaines personnes souffrant de troubles cérébraux pourraient un jour être soulagées grâce à un nouveau traitement inventé par des chercheurs de l’Argonne National Laboratory du ministère américain de l’énergie (DOE) et de quatre universités. Le traitement est basé sur des percées dans les domaines de l’optique et de la génétique. Il serait applicable non seulement aux troubles cérébraux liés au mouvement, mais aussi à la dépression et à la douleur chroniques.

Notre approche non invasive de haute précision pourrait devenir une routine grâce à l’utilisation d’un petit appareil à rayons X, du type de ceux que l’on trouve dans tous les cabinets dentaires.”

Propos d’Elena Rozhkova, nanoscientifique du Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique (Center for Nanoscale Materials) d’Argonne

Ce nouveau traitement consiste à stimuler les neurones au plus profond du cerveau au moyen de nanoparticules injectées qui s’illuminent lorsqu’elles sont exposées aux rayons X (nanoscintillateurs) et permettrait d’éliminer une chirurgie cérébrale invasive actuellement utilisée.

“Notre approche non invasive de haute précision pourrait devenir une routine avec l’utilisation d’un petit appareil à rayons X, du type de ceux que l’on trouve dans tous les cabinets dentaires”, a déclaré Elena Rozhkova, l’un des principaux auteurs et une nanoscientifique du Center for Nanoscale Materials (CNM) d’Argonne, une installation d’utilisateur du DOE Office of Science.

La stimulation cérébrale profonde traditionnelle nécessite une procédure neurochirurgicale invasive pour les troubles pour lesquels la thérapie médicamenteuse conventionnelle n’est pas une option. Dans la procédure traditionnelle, approuvée par la Food and Drug Administration américaine, les chirurgiens implantent sous la peau un générateur d’impulsions calibré (semblable à un stimulateur cardiaque).

Ils le relient ensuite, à l’aide d’une rallonge isolée, à des électrodes insérées dans une zone spécifique du cerveau pour stimuler les neurones environnants et réguler les impulsions anormales.

“Le scientifique hispano-américain José Manuel Rodríguez Delgado a fait une démonstration célèbre de la stimulation cérébrale profonde dans une arène dans les années 1960”, a déclaré Vassiliy Tsytsarev, neurobiologiste de l’université du Maryland et coauteur de l’étude. “Il a immobilisé un taureau enragé qui le chargeait en envoyant un signal radio à une électrode implantée”.

Il y a une quinzaine d’années, les scientifiques ont présenté une technologie révolutionnaire de neuromodulation, “l’optogénétique”, qui repose sur la modification génétique de neurones spécifiques dans le cerveau. Ces neurones créent un canal ionique sensible à la lumière dans le cerveau et, de ce fait, se déclenchent en réponse à une lumière laser externe. Cette approche nécessite toutefois l’implantation de fils de fibre optique très fins dans le cerveau et souffre de la profondeur de pénétration limitée de la lumière laser dans les tissus biologiques.

L’approche optogénétique alternative de l’équipe utilise des nanoscintillateurs injectés dans le cerveau, contournant les électrodes implantables ou les fils de fibre optique. Au lieu des lasers, ils substituent les rayons X en raison de leur plus grande capacité à traverser les barrières des tissus biologiques.

“Ainsi, les nanoparticules servent de source de lumière interne qui permet à notre méthode de fonctionner sans fil ni électrode”, ajoute Rozhkova. Puisque l’approche de l’équipe peut à la fois stimuler et calmer de petites zones ciblées, a noté Rozhkova, elle a d’autres applications que les troubles du cerveau. Par exemple, elle pourrait s’appliquer aux problèmes cardiaques et à d’autres muscles endommagés.

L’une des clés du succès de l’équipe a été la collaboration entre deux des installations de classe mondiale d’Argonne : Le CNM et l’Advanced Photon Source (APS) d’Argonne, une installation d’utilisateur du DOE Office of Science. Le travail dans ces installations a commencé par la synthèse et la caractérisation multi-outils des nanoscintillateurs.

En particulier, la luminescence optique excitée par les rayons X des échantillons de nanoparticules a été déterminée sur une ligne de faisceau de l’APS (20-BM). Les résultats ont montré que les particules étaient extrêmement stables au fil des mois et après une exposition répétée aux rayons X de haute intensité.

Selon Zou Finfrock, chercheur à la ligne de faisceau 20-BM de l’APS et au Centre canadien de rayonnement synchrotron, “elles continuaient à briller d’une belle lumière rouge-orange.”

Ensuite, Argonne a envoyé les nanoscintillateurs préparés par le CNM à l’Université du Maryland pour des tests sur des souris. L’équipe de l’université du Maryland a effectué ces tests pendant deux mois à l’aide d’un petit appareil à rayons X portable. Les résultats ont prouvé que la procédure a fonctionné comme prévu. Les souris dont le cerveau avait été génétiquement modifié pour réagir à la lumière rouge ont répondu aux impulsions de rayons X par des ondes cérébrales enregistrées sur un électroencéphalogramme.

Enfin, l’équipe de l’université du Maryland a envoyé les cerveaux des animaux pour qu’ils soient caractérisés à l’aide de la microscopie à fluorescence X réalisée par les scientifiques d’Argonne. Cette analyse a été réalisée par Olga Antipova sur la ligne de faisceau de la microsonde (2-ID-E) à l’APS et par Zhonghou Cai sur la nanosonde à rayons X durs (26-ID) exploitée conjointement par le CNM et l’APS.

Cette disposition multi-instruments a permis de voir de minuscules particules résidant dans l’environnement complexe du tissu cérébral avec une super-résolution de dizaines de nanomètres.

Il a également permis de visualiser à l’échelle microscopique les neurones proches et éloignés du site d’injection. Les résultats ont prouvé que les nanoscintillateurs sont chimiquement et biologiquement stables. Ils ne s’éloignent pas du site d’injection et ne se dégradent pas.

“La préparation des échantillons est extrêmement importante dans ce type d’analyse biologique”, a déclaré Mme Antipova, physicienne à la Division des sciences des rayons X (XSD) de l’APS. Mme Antipova a été assistée par Qiaoling Jin et Xueli Liu, qui ont préparé des sections de cerveau de quelques micromètres d’épaisseur seulement avec une précision de bijoutier.

“L’optogénétique pour les applications médicales suscite un vif intérêt commercial”, a déclaré Mme Rozhkova. “Bien qu’elle en soit encore au stade de la preuve de concept, nous prévoyons que notre approche sans fil, en attente de brevet, avec de petits appareils à rayons X devrait avoir un bel avenir.”

Source :

https://www.news-medical.net/news/20210325/Wireless-neuromodulation-technology-could-improve-the-lives-of-patients-with-brain-disorders.aspx

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