Activité neuronale induite par ultrasons: de la transduction mécano-électrique à la prothèse de stimulation cérébrale – NeurActiv

La stimulation électrique profonde (DBS) est depuis longtemps la modalité principale de déclenchement artificielle d’une activité cérébrale. Cette technique est largement utilisée dans la prise en charge de maladies neurologiques (maladie de Parkinson, douleur, épilepsie). Cependant, les techniques de stimulation électrique nécessitent l’implantation chirurgicale d’électrodes sous-durales ou profondes, toujours invasives. Ces dernières années ont a vu émerger des techniques mini- ou non-invasives, basées sur une stimulation électrique (tDCS) ou magnétique (TMS), qui restent contraintes spatialement.
De nombreuses études ont montré la capacité des UltraSons Focalisés (FUS en anglais) à déclencher ou moduler l’activité des neurones à distance, sans contact direct avec les tissus. Des travaux pionniers menés dans les années 1970-1980 ont montré qu’il était possible de stimuler par ultrasons des structures nerveuses superficielles (mécanorécepteurs, nerfs auditifs). Néanmoins, aucune description complète des mécanismes et de leurs interactions n’ont pu être validées. Récemment, plusieurs équipes ont prouvé qu’il est possible de réaliser des stimulations profondes in vivo dans le cerveau par des FUS à basse fréquence (0,3-0,6 MHz). Alors que les stimulations à basse fréquence ciblent une zone focale étendue, il a été montré que des FUS de très haute fréquence (40 MHz) pouvaient, in vitro, stimuler des structures neuronales avec une tache focale extrêmement fine, offrant une précision spatiale importante. Cependant, les mécanismes biologiques impliqués dans la neurostimulation par ultrasons restent largement inconnus et très hypothétiques.
L’utilisation des ultrasons pour la neurostimulation profonde mini-invasive pourrait être une révolution dans ce domaine. NeurActiv est un projet multidisciplinaire piloté par le Laboratoire Thérapie et Applications Ultrasonores (LabTAU, INSERM, Lyon). Son objectif principal est de mener et accélérer le développement de la neurostimulation par ultrasons tout en améliorant nos connaissances sur leurs mécanismes biophysiques et en identifiant des paramètres FUS permettant d’induire une neurostimulation contrôlée, sélective, reproductible et sécurisée. Pour relever ces défis, les membres de NeurActiv sont issus de 3 équipes, le LabTAU, le CIRB (Collège de France, INSERM, CNRS, Paris) et le GRC NeurON (Université Sorbonne, Paris) intégrant des physiciens, biologistes et médecins qui associent leurs expertises reconnues mondialement respectivement dans la recherche sur les ultrasons biomédicaux, la neurophysiologie cellulaire et les applications cliniques en neurochirurgie. Ce consortium pluridisciplinaire cherchera à développer un cadre expérimental unifiant de la neurostimulation par ultrasons à travers diverses études sur des modèles neuronaux de complexité anatomique et physiologique croissante. Nous étudierons les caractéristiques spatio-temporelles des réponses cérébrales évoquées par FUS, à la fois à l’échelle cellulaire et à celle des réseaux de cellules nerveuses, en comparaison aux stimulations électriques, et nous tenterons d’identifier leur mécanisme, astrocytaire ou neuronaux, sur les canaux membranaires et la neurotransmission. Nous allons en outre valider que les FUS peuvent induire une plasticité neuronale. L’objectif final de NeurActiv est de développer une stratégie originale de FUS extra-durale, qui impliquera une prothèse crânienne FUS placée en contact avec la dure-mère, capable de cibler et stimuler des neurones localisés dans des régions spécifiques du cerveau. Le projet NeurActiv vise le traitement de la surdité profonde. Ces prothèses FUS de stimulation cérébrale pourraient, en cas de succès, constituer une approche innovante en améliorant la portabilité des systèmes et l’autonomie du patient (sans sessions IRM systématiques pour la planification de traitements chroniques), pour de nombreuses indications neurologiques (ex : audition, vision, motricité, douleur, mémoire).