Une équipe internationale dirigée par Francesca Santoro, chercheuse à Jülich, a mis au point une biopuce intelligente qui imite la rétine de l’œil. Avec ce type de bioélectronique et d’autres, l’équipe espère pouvoir corriger les dysfonctionnements du corps et du cerveau. La puce est le fruit d’une collaboration entre des scientifiques du centre de recherche de Jülich, de la RWTH d’Aix-la-Chapelle, de l’Istituto italiano di tecnologia et de l’université de Naples..
La fusion de l’homme et de la machine est la quintessence d’un récit de science-fiction. Dans la réalité, les premiers pas vers de tels cyborgs ont été faits depuis longtemps : des personnes portent des stimulateurs cardiaques pour lutter contre les troubles du rythme ou des implants cochléaires pour améliorer leur audition. Et les implants rétiniens aident les presque aveugles à voir au moins un peu. Une nouvelle puce pourrait contribuer à ce que les implants rétiniens se fondent encore mieux dans le corps humain à l’avenir. Il est basé sur des polymères conducteurs et des molécules photosensibles qui permettent d’imiter la rétine et les voies visuelles. Francesca Santoro à l’Institut de bioélectronique de Jülich (IBI-3) en collaboration avec la RWTH Aachen, l’Istituto italiano di Tecnologia de Gênes et l’Université de Naples.
“Notre semi-conducteur organique détecte la quantité de lumière qu’il reçoit. La même chose se produit dans notre œil. La quantité de lumière qui atteint les différents photorécepteurs crée finalement l’image dans le cerveau”, explique Santoro, qui est également professeur d’interfaces neuroélectroniques à l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle et chercheur invité à l’Istituto italiano di Tecnologia.
Puce polyvalente
La particularité de ce nouveau semi-conducteur est qu’il est entièrement constitué de composants organiques non toxiques, qu’il est malléable et qu’il fonctionne avec des ions, c’est-à-dire des atomes ou des molécules chargés. Il s’intègre ainsi beaucoup mieux dans les systèmes biologiques que les composants semi-conducteurs rigides traditionnels en silicium, qui ne fonctionnent qu’avec des électrons. “Les cellules de notre corps utilisent notamment les ions pour contrôler certains processus et échanger des informations”, explique la chercheuse. Le développement n’est toutefois qu’une “preuve de concept”, souligne-t-elle. Nous avons pu montrer qu’il permettait de reproduire les propriétés typiques de la rétine”, explique-t-elle.
Et les chercheurs pensent déjà à une autre utilisation possible : la puce pourrait également faire office de synapse artificielle, car l’exposition à la lumière modifie la conductivité du polymère utilisé à court et à long terme. Les synapses réelles fonctionnent de la même manière : En transmettant des signaux électriques, elles modifient par exemple leur taille et leur efficacité, sur lesquelles reposent les capacités d’apprentissage et de mémorisation de notre cerveau. “Dans les expériences futures, nous voulons coupler les composants à des cellules biologiques et connecter de nombreux individus ensemble”, anticipe M. Santoro.
Comprendre les neurones
Outre la rétine artificielle, l’équipe de Santoro développe d’autres approches de puces bio-électroniques capables d’interagir de manière similaire avec le corps humain, en particulier avec les cellules du système nerveux. “Nous essayons d’une part de reproduire la structure tridimensionnelle des cellules nerveuses et d’autre part également leurs fonctions, par exemple le traitement et le stockage des informations”.
Les biopolymères qu’ils ont utilisés pour la rétine artificielle se sont révélés être un matériau de départ approprié. “Cela nous permet de reproduire la structure ramifiée des cellules nerveuses humaines avec leurs nombreuses dendrites. Vous pouvez vous imaginer un peu comme un arbre”, explique la scientifique. C’est important parce que les cellules réelles préfèrent ces structures tridimensionnelles ramifiées aux surfaces lisses et établissent ainsi des contacts étroits avec les cellules artificielles.
Les différentes biopuces peuvent être utilisées d’une part pour étudier de vrais neurones – par exemple l’échange d’informations cellulaires. D’autre part, Santoro et son équipe espèrent pouvoir un jour utiliser leurs composants pour interférer activement avec les voies de communication des cellules afin de déclencher certains effets. Santoro pense ici par exemple à corriger les erreurs de traitement et de transmission de l’information qui se produisent dans les maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer. Ou au soutien d’organes qui ne fonctionnent plus correctement. En outre, ces composants pourraient également servir d’interface entre des membres ou des articulations artificiels.
L’informatique pourrait également en bénéficier. Grâce à leurs caractéristiques, ces puces sont prédestinées à servir de matériel pour les réseaux neuronaux artificiels. Jusqu’à présent, les programmes d’IA fonctionnent encore avec des processeurs classiques qui ne peuvent pas adapter leur structure. Ils ne font qu’imiter le fonctionnement auto-apprenant des réseaux neuronaux changeants à l’aide d’un logiciel sophistiqué. C’est très inefficace. Les neurones artificiels pourraient combler cette lacune actuelle : “Ils permettraient de mettre en place une technique informatique qui imite le fonctionnement du cerveau à tous les niveaux”, explique M. Santoro.
Publication originale :
Federica Corrado et al, Azobenzene-based opto-electronic transistors for neurohybrid building blocks, Nat. Commun. (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-41083-2 https://doi.org/10.1038/s41467-023-41083-2
