Blanc SIMI 3 - Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Matériels et logiciels pour les systèmes, les calculateurs, les communications

HYbridation de REseaux de Neurones pour l’exploration de fonctions de réhabilitation – HYRENE

HYbridation de REseaux de NEurones pour l’exploration de fonctions de réhabilitation

Le projet vise à développer de nouvelles technologies de communication hybrides entre réseaux de neurones vivants et artificiels électroniques. HYRENE ambitionne de coupler un organe entier (moelle épinière de souris) à un réseau artificiel, avec pour objectif de rétablir une activité fonctionnelle de l’organe lésé. A plus long terme, les concepts mis en place permettront de développer des interfaces neuroélectroniques « intelligentes » à des fins de réhabilitation fonctionnelle.

Implants bioélectroniques pour la réhabilitation

Le but du projet HYRENE est de proposer une nouvelle génération de systèmes neuro-électroniques adaptatifs, par hybridation d’un organe entier du système nerveux central (SNC) avec des circuits électroniques intelligents constitués de neurones artificiels intégrés sur silicium. <br />Une communication bi-directionnelle entre le réseau de neurones vivants et le réseau de neurones artificiels (RNA) sera développée selon une architecture de système bouclé et régulé. Il s’agit d’une proposition entièrement novatrice car elle vise, non seulement la réalisation d’un système hybride vivant/électronique bouclé en temps réel, mais aussi , l’incorporation, comme élément de contrôle de la boucle, d’un calculateur neuromorphique doté de règles de plasticité synaptique. Deux aspects ambitieux supplémentaires du projet sont de 1) viser à hybrider une structure entière (moelle épinière) du SNC et 2) de parvenir à de nouvelles pistes en réhabilitation fonctionnelle. <br />

L’objectif du projet HYRENE est de mettre au point des stratégies de construction de réseaux de neurones hybrides, et d’exploiter ces systèmes neuroélectroniques pour la réhabilitation d’un réseau spinal lésé. En particulier, nous chercherons à rétablir la transmission d’une commande motrice provenant des centres supra-spinaux (tronc cérébral) vers les réseaux locomoteurs lombaires. Le protocole d’hybridation final est résumé dans la figure jointe. Il consistera à:
1. Utiliser une électrode de stimulation dans le tronc cérébral pour initier « à la demande » une commande supraspinale descendante engendrant une activité locomotrice au niveau lombaire de la moelle épinière ;
2. Utiliser quatre électrodes de succion pour enregistrer bilatéralement les racines ventrales L2 et L5 permettant d’avoir une image contrôle des activités de locomotion fictive de la moelle épinière ;
3. Effectuer une lésion complète de la moelle épinière au niveau thoracique (T6-T7) ;
4. Utiliser une première matrice de microélectrodes (MEA1) placée en amont de la lésion pour enregistrer l’activité intraspinale correspondant à l’arrivée d’une commande descendante ;
5. Utiliser une deuxième matrice de microélectrodes (MEA2, cas A) optimisée pour la stimulation localisée et placée en aval de la lésion pour stimuler électriquement les zones d’initiation des activités de locomotion fictive (centres générateurs de rythmes – CPGs).
6. Les stimulations électriques seront délivrées en fonction de la sortie d’un réseau de neurone artificiel (RNA) placé entre les matrices MEA1 et MEA2.
7. Comme alternative, il sera également envisagé d’utiliser une matrice microfluidique (MFA, cas B) intégrant des micro-canaux pour délivrer des agents pharmacologiques localement dans le tissu nerveux afin de déclencher chimiquement des activités de locomotion fictive au niveau des racines lombaires.

A T0+12:
Jalon J1.1 : Validation du design MEA 3D optimisé pour la stimulation focale.
Un objectif du projet Hyrène est de mettre au point une configuration de matrices d'électrodes pénétrantes, permettant l'activation locale de groupes de motoneurones et interneurones de la moelle épinière. Dans le cadre de la tâche ST1.1, nous avons donc modélisé une configuration de stimulation focale en 3D, basée sur l'utilisation d'une surface de masse autour des sites de stimulation sur chaque pointe. Ces modélisations mixent le calcul du champ de potentiel créé par une stimulation et le calcul de la réponse neuronale à ce champ

Jalon J2.1 : Identification d'une zone de stimulation supraspinale pour le déclenchement d'une commande motrice descendante.
Un des premiers objectifs du projet Hyrène (sous-tâche ST2.1) est de parvenir à
déclencher des activités de locomotion fictive au niveau des réseaux lombaires sur les racines ventrales gauche et droite et flexeur L2/extenseur L5. Les rythmes générés sur les racines doivent montrer des alternances gauche/droite et L2/L5. Nous avons montré qu'il est possible de générer de tels rythmes en stimulant une zone située à la jonction bulbopontique, au niveau du canal médian et sur la face ventrale. Nous avons également vérifié la possibilité de générer un cycle élémentaire de bouffées alternées par une stimulation unique à la jonction bulbe-moelle épinière.

Jalon J3.1 : Validation de l’entrée de trains d’impulsion sur Réseau de Neurones Artificiels
Le système permettant l’acquisition des signaux enregistrés sur les MEA 3D et leur
application sur le réseau de neurones artificiels (ANN) a été développé, fabriqué et validé expérimentalement.
Il présente les caractéristiques ci-dessous :
- Numérisation de 64 canaux à 10 kHz
- Stockage des données sur carte SD
- Affichage temps réel type raster plot sur moniteur
- Interface utilisateur
- Traitement des données numérisées avec détection par seuillage adaptatif

Les avancées scientifiques attendues par la réalisation du projet HYRENE sont donc :
- D’un point de vue des sciences de l’information : de nouveaux systèmes de communication hybride vivant/électronique utilisant un réseau de neurones artificiel auto-organisé par des règles de plasticité pour communiquer avec un réseau de neurones biologique entier,
- D’un point de vue des sciences de la vie : la mise au point d’une première stratégie de réhabilitation fonctionnelle d’un réseau spinal lésé, première étape indispensable vers des neuroprothèses spinales in vivo.

Néant

Le projet HYRENE est un projet de recherche fondamentale visant à développer de nouvelles technologies de communication hybride entre réseaux de neurones vivants et réseaux de neurones artificiels électroniques. L’ambition particulière de ce projet est de parvenir à coupler un organe entier (moelle épinière de souris) à un réseau artificiel, avec pour objectif de rétablir une activité fonctionnelle de l’organe lorsque celui-ci a subi une lésion. A plus long terme, les concepts mis en place permettront de développer des interfaces neuroélectroniques « intelligentes » à des fins de réhabilitation fonctionnelle.

Le vieillissement de la population à l’échelle mondiale pose un problème sociétal majeur par l’accroissement associé du nombre de maladies neurodégénératives. Parallèlement aux pistes thérapeutiques explorées par la biologie cellulaire et moléculaire (thérapie génique, greffes de cellules souches), des solutions neuro-électroniques permettent de compenser ces pertes fonctionnelles.
Dans le domaine des neuroprothèses, les premiers implants cochléaires pour le traitement de la surdité ont été réalisés il y a une trentaine d’année. Les premières implantations de prothèses rétiniennes sont actuellement effectuées. La stimulation cérébrale est utilisée depuis près de 20 ans en clinique pour traiter les symptômes de la maladie de Parkinson , et plus récemment pour traiter les douleurs neuropathiques ou l’épilepsie. En parallèle, un vaste champ d’investigation est couvert par des interfaces cerveau-machine, où les signaux neuronaux sont traduits en signaux de commande pour contrôler des systèmes externes (bras robotisés, ordinateurs…).

Le système développé dans HYRENE ici se démarque des systèmes précédents qui, le plus souvent : (i) soit réalisent une acquisition des signaux neuronaux, sans stimulation en retour au système nerveux (ex : robotique), (ii) soit génèrent une stimulation du tissu nerveux, en lien avec un signal physique acquis par ailleurs (application prothèses auditives ou visuelles).

D’un point de vue technique, l’approche est basée sur l’utilisation de matrices de microélectrodes conçus spécifiquement pour optimiser la localisation de la stimulation (MEA : Micro-Electrodes Arrays) et placées au contact du tissu nerveux .
La communication bi-directionnelle entre le Réseau de Neurones Vivant (RNV) et le Réseau de Neurones Artificiel (RNA) sera assurée selon un principe de système bouclé et régulé. La grande originalité est que l’organe de régulation de ce système est un RNA utilisant des modèles biophysiques des cellules, et implanté sur circuits intégrés analogiques et mixtes. Ces RNA sont intrinsèquement auto-adaptatifs car ils suivent des règles de plasticité synaptiques elles aussi bio-inspirées.
Pour compléter le système, il est nécessaire de développer une électronique dédiée à l’hybridation en boucle fermée de réseaux artificiels neuromimétiques aux réseaux vivants par l’intermédiaire des MEAs. Il s’agira en particulier de mettre en forme les données du réseau vivant pour les « injecter » dans le réseau artificiel (hybridation Vivant -> Artificiel), et également de convertir les activités du réseau artificiel en train de stimulation électrique pour activer le réseau vivant (hybridation Artificiel -> Vivant).

Le partenariat entre les disciplines technologiques (électronique intégrée IMS, microsystèmes ESIEE) et biologiques (neurophysiologie CNIC) s’appuie sur la longue expérience des équipes en termes de projets pluri-disciplinaires nationaux et internationaux.
Les avancées scientifiques attendues concernent :
- Pour les sciences de l’information : le développement de réseaux de neurones artificiel auto-organisés par des règles de plasticité, capables de communiquer en temps réel avec un réseau de neurones biologique entier,
- Pour les sciences de la vie : la mise au point d’outils d’exploration des stratégies de réhabilitation d’un réseau spinal lésé.

Coordinateur du projet

INSTITUT POLYTECHNIQUE BORDEAUX (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INSTITUT POLYTECHNIQUE BORDEAUX
CHAMBRE DE COMMERCE ET D'INDUSTRIE DE PARIS - Ecole Supérieure d'Ingénieurs en Électronique et Électrotechnique - ESIEE
UNIVERSITE BORDEAUX I
INSERM DR RHONE-ALPES AUVERGNE

Aide de l'ANR 599 959 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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