Stimulation Neuronale par UltraSons: compréhension et contrôle des mécanismes biophysiques vers des applications aux handicaps sensoriels – NeUStim

La seule façon d’induire une activité cérébrale artificiellement a été pendant longtemps la stimulation électrique. Cette technique rend d’énormes services (maladie de Parkinson, traitement de la douleur, épilepsie, surdité). Les techniques de stimulation électrique nécessitent la pose d’électrodes sous-durales ou profondes, avec un certain degré d’invasivité. Ces dernières années ont vu émerger des techniques mini- ou non-invasives avec des excitations d’origines diverses : électrique (tDCS) et magnétique (TMS). Ces techniques prometteuses ouvrant un champ d’investigation sur les dysfonctionnements neuronaux sont toutefois contraintes par différentes limitations, soit en termes de ciblage/sélectivité du traitement, soit en termes d’accès aux tissus profonds.

Des expérimentations récentes ont montré la capacité des UltraSons de Basse Energie (LEUS en anglais) à agir sur l’activité des neurones à distance sans insérer d’aiguille dans les tissus. Depuis 2011, des équipes de l’Université d’Arizona, d’Harvard Medical School, de l’Université de Stanford et de l’Institut Langevin ont en effet prouvé qu’il est possible de réaliser des stimulations profondes in vivo du cortex cérébral de façon diffuse avec des LEUS basse fréquence (0,3-0,6 MHz), malgré une zone focale étendue. En 2013, une autre équipe de Stanford, a pu obtenir in vitro des stimulations de la rétine avec des LEUS haute fréquence (40 MHz) pour laquelle la tache focale, extrêmement fine, offre une précision spatiale importante. Les mécanismes biophysiques impliqués dans ces types de neurostimulations restent toutefois méconnus. Dans les années 70s et 80s, de nombreux travaux ont été menés, notamment à l’université de Moscou, sur la stimulation ultrasonore superficielle des structures externes (mécanorécepteurs, nerfs auditifs). Ces études ont mis en évidence certains paramètres ultrasonores propices à l’induction de sensations tactiles, thermiques (chaud, froid), ou encore sonores. Néanmoins, aucune description complète des mécanismes et de leurs interactions n’a pu être validée.

L’utilisation des ultrasons pour la neurostimulation profonde mini-invasive pourrait être une révolution dans ce domaine. Cependant, l’état actuel des connaissances sur les mécanismes biophysiques impliqués dans la neurostimulation LEUS est très limité et bloque un transfert potentiel chez le patient. Le projet NeUstim (Neuronal UltraSound Stimulation) multidisciplinaire sera mené au Laboratoire Thérapie et Applications Ultrasonores (LabTAU, INSERM U1032), pour accélérer l’émergence de la neurostimulation par ultrasons, en 2 grandes phases : 1) améliorer nos connaissances des mécanismes biophysiques et valider nos hypothèses, 2) identifier les paramètres LEUS ad hoc qui permettront d’induire une neurostimulation contrôlée, sélective, reproductible et sécurisée. A terme, l’objectif est de développer une stratégie originale de LEUS extra-durale qui impliquera une petite prothèse crânienne LEUS (dure-mère intacte, pas d’insertion de sonde dans le cerveau) capable de moduler des aires sensorielles profondes à distance, et de considérer de futures applications cliniques. Ces prothèses LEUS pour la stimulation cérébrale pourraient constituer une excellente et innovante approche en améliorant la portabilité des systèmes, en figeant les planifications des traitements chroniques long-terme, avec des conséquences importantes pour l’autonomie du patient (pas de sessions IRM systématique pour la planification de traitements répétitifs), et des applications identifiées dans la gestion de troubles neurologiques chroniques (ex : moteur, douleur, audition, vision).

Pour accomplir ces défis, une nouvelle équipe (la NeUSteam) sera créée et dédiée à ce programme : elle fera intervenir principalement des membres du LabTAU dont l’expertise dans la recherche sur les ultrasons biomédicaux est reconnue mondialement, et bénéficiera également d’une expertise clinique externe en neurophysiologie.