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Les scientifiques utilisent des hologrammes pour modifier l'activité cérébrale

Les scientifiques utilisent des hologrammes pour modifier l'activité cérébrale


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À l'intérieur du cerveau, presque 100 milliards de neurones tirer simultanément 20 billions de synapses (signaux) toutes les secondes - comparable à un Processeur de 1 billion de bits par seconde. Chaque neurone se ramifie et se connecte à d'autres cellules, formant parfois vers le haut de 10000 connexions. Chaque synapse représente également un aspect différent de la vie - que ce soit une odeur, une sensation, un son, une vue ou autre. Ensemble, ils dictent chaque action, pensée et mémoire dans l'esprit. Dans son ensemble, il se rassemble en tant que conscience.

Mais que se passerait-il si nous pouvions modifier l'activité dans notre cerveau? Les neuroscientifiques de l'UC Berkeley perfectionnent la technologie qui fera un jour la fable de science-fiction de longue durée de la programmation du cerveau humain. Actuellement, l'équipe développe une technique utilisant des projections laser holographiques pour projeter des données directement dans un cerveau - et elle a déjà fait ses preuves.

Dans un article récent intitulé Preciser le contrôle optique multimodal de l'activité de l'ensemble neuronal, une équipe de scientifiques de l'UC Berkeley a développé un système holographique capable de créer artificiellement une activité cérébrale. Le système a été utilisé pour stimuler différentes régions du cerveau d'une souris afin de contrôler ses divers sens. L'équipe espère un jour utiliser la technologie pour développer des prothèses neurales capables de reproduire n'importe lequel des sens du corps - audition, goût, toucher, odeur ou vue.

Dans cette vidéo, l’activité de trois couches de cortex somatosensoriel du cerveau d’une souris est enregistrée. L'activité organique apparaît comme fluorescente verte tandis que les neurones activés avec le laser holographique s'allument comme une flèche violette. La démonstration montre comment l'activité cérébrale réelle a été stimulée, ce qui a induit de fausses sensations.

Comment ça fonctionne

Bien que de nature complexe, le cerveau repose sur quelques processus fondamentaux pour envoyer, recevoir et stocker des données et des instructions. Des cellules spéciales du système nerveux envoient et reçoivent des signaux électrochimiques dans tout le corps pour rendre compte de l'environnement. À l'intérieur du cerveau, certaines régions sont responsables de la distribution de chaque entrée sensorielle aux bonnes zones. C'est dans ces régions que les scientifiques sont intéressés - la capacité de contrôler ces régions permettrait aux scientifiques de programmer chacun des cinq sens de base.

Prendre le contrôle de certaines parties de l'activité cérébrale nécessite une précision à la milliseconde dans un espace tridimensionnel pour cibler et stimuler les neurones. C'est une tâche difficile et elle doit être effectuée de manière à produire une activité cérébrale artificielle. Non seulement les neurones individuels doivent être suivis, ciblés et stimulés individuellement, mais ils doivent également être stimulés d'une manière qui imite l'activité cérébrale organique.

Malgré une précision apparemment impossible, quelques-uns des scientifiques responsables des récents progrès de la technologie d'édition du cerveau ont publié un article fin 2017 décrivant une nouvelle technologie qui peut simultanément stimuler et contrôler plusieurs neurones dans un morceau tridimensionnel de tissu cérébral. À la fin du mois d'avril 2018, l'équipe a publié un article supplémentaire qui a amélioré sa conception précédente. Désormais, l'équipe peut stimuler, supprimer et enregistrer l'activité cérébrale en temps réel.

Le projecteur holographique d'édition de cerveau

Par eux-mêmes, les neurones ne réagissent pas en présence de lumière. Avoir un système capable de cibler et de suivre les neurones individuels avec de la lumière est bien, mais totalement inutile lorsqu'on tente d'induire une activité cérébrale.

Pour contourner cette limitation, les scientifiques ont attaché des opsines microbiennes photo-sensibles à une région de neurones près de la surface d'un cerveau.

Essentiellement, les opsines sont des protéines qui réagissent en présence de lumière. S'il est frappé par un flash de lumière lorsqu'il est attaché à un neurone, il provoque momentanément une pointe localisée de l'activité cérébrale. Cependant, la stimulation artificielle semble influencer l'activité des autres neurones de la zone environnante.

Les technologies précédentes impliquant des opsines photo-stimulantes fonctionnaient généralement en deux dimensions. Les techniques n'étaient pas seulement limitées dans leur portée, mais elles étaient également assez imprécises. Les techniques de projection holographique précédentes amèneraient les opsines à stimuler involontairement plusieurs neurones à la fois. Les résultats étaient intrigants mais n'étaient pas suffisamment précis pour induire une activité cérébrale utile.

Sur cette image, des diagrammes illustrant l'optogénétique précédente (utilisant la lumière pour stimuler les tissus vivants) sont utilisés. Sur la gauche, les récepteurs entrelacés d'opsine sont activés avec différentes sources de lumière pour stimuler différentes réponses. Au milieu, un virus contenant un gène opsin est montré. Le virus produit et délivre l'opsine au cerveau. À l'extrême droite, une souris est représentée avec une source de lumière entrant dans sa tête. C'est à travers cette petite fenêtre que la lumière est dirigée vers le cerveau afin qu'elle puisse être manipulée.

Maintenant, dans leurs travaux les plus récents, l'équipe de scientifiques de l'UC Berkeley a conçu une approche entièrement nouvelle impliquant une nouvelle protéine qui peut stimuler individuellement les neurones. Leur nouveau système holographique leur permet également de contrôler des neurones individuels dans une région fine mais toujours tridimensionnelle du cerveau.

La technologie n'est pas entièrement nouvelle, mais c'est une combinaison réussie d'une série d'autres travaux réunis pour créer l'un des dispositifs de stimulation cérébrale les plus précis qui peuvent modifier avec précision l'activité cérébrale.

Avec l'appareil attaché à une souris, le scientifique pourrait reproduire un modèle similaire à un stimulus sensoriel organique.

Selon Berkeley, «les chercheurs ont déjà testé le prototype dans les zones tactile, visuelle et motrice du cerveau de souris alors qu'elles marchent sur un tapis roulant avec la tête immobilisée. Bien qu'ils n'aient noté aucun changement de comportement chez les souris lorsque leur cerveau est stimulé, Mardinly a déclaré que leur activité cérébrale - qui est mesurée en temps réel avec une imagerie à deux photons des niveaux de calcium dans les neurones - montre des schémas similaires à une réponse à un stimulus sensoriel. »

La manipulation des cellules nécessite un système informatique pour déterminer où se trouvent chacun des milliers de neurones recouverts de protéines. Pendant un bref instant, un ensemble de neurones est ciblé et frappé avec un laser holographique. Avec cette technique, ils ont pu «photo-stimuler» précisément jusqu'à 50 neurones à la fois dans une petite région de matière cérébrale contenant plusieurs milliers d'autres neurones. La tâche est ensuite répétée 300 fois par seconde tout en stimulant un nouvel ensemble de 50 neurones à chaque passage.

Un regard plus attentif sur les hologrammes - et le cerveau

La focalisation de la lumière sur une cellule plus petite que la largeur d'un cheveu humain nécessite une précision absolue - Précision qui ne peut être obtenue qu'à l'aide d'une image holographique.

Le projecteur holographique consiste à plier et à focaliser deux faisceaux laser d'une manière qui forme un motif spatial en trois dimensions. En pratique, les hologrammes apparaissent comme s'il s'agissait d'une image 3D flottant dans l'espace.

Dans le cas des progrès récents de la technologie d'édition du cerveau, le motif d'image holographique a été utilisé pour éclairer une fine couche de tissu cérébral à la surface du cortex mesurant environ un dixième de millimètre d'épaisseur. Les orbes lumineux individuels en forme de disque créés par le projecteur holographique sont projetés avec précision sur les cellules couvertes d'opsin.

Sur cette image, l'activité cérébrale est enregistrée grâce au dispositif laser holographique.

«L’avancée majeure est la capacité à contrôler les neurones précisément dans l’espace et le temps», a déclaré Nicolas Pégard, post-doctorant, auteur de l’article qui travaille à la fois dans le laboratoire d’Adesnik et dans le laboratoire de la co-auteur Laura Waller. "En d'autres termes, pour tirer sur les ensembles très spécifiques de neurones que vous souhaitez activer et le faire à l'échelle caractéristique et à la vitesse à laquelle ils fonctionnent normalement."

Ce que l'édition cérébrale peut faire pour les humains

L'objectif actuel est de lire l'activité cérébrale en temps réel. Ensuite, sur la base de l'activité cérébrale mesurée, un système pourrait déterminer les ensembles de neurones à activer pour reproduire une réponse cérébrale réelle. Les chercheurs espèrent augmenter la capacité de l'activation de quelques dizaines de neurones à la fois à l'activation de quelques milliers de neurones à la fois. En cas de succès, l'équipe peut être en mesure de rendre les sensations perdues aux humains. Tous les sens pourraient ensuite être reprogrammés et reproduits activement avec un appareil de projection holographique - un appareil que les scientifiques espèrent tenir dans un sac à dos.

Jusqu'à présent, la recherche aide les scientifiques à cartographier l'activité d'un cerveau en temps réel. Peut-être plus important encore, cependant, la recherche est en train de découvrir les mécanismes internes derrière le langage de l'esprit. Ils espèrent que leurs recherches aideront au développement de prothèses neurales - en fait, un implant cérébral qui peut communiquer artificiellement avec le cerveau et l'aider à utiliser leur appareil holographique.

«C'est l'une des premières étapes d'un long chemin pour développer une technologie qui pourrait être un implant cérébral virtuel avec des sens supplémentaires ou des sens améliorés.»

«Cela a un grand potentiel pour les prothèses neurales, car il a la précision nécessaire pour que le cerveau interprète le schéma d'activation. Si vous pouvez lire et écrire le langage du cerveau, vous pouvez lui parler dans sa propre langue et il peut interpréter le message beaucoup mieux », a déclaré Alan Mardinly, stagiaire postdoctoral au laboratoire de l'UC Berkeley à Hillel Adesnik.

«C'est l'une des premières étapes d'un long chemin pour développer une technologie qui pourrait être un implant cérébral virtuel avec des sens supplémentaires ou des sens améliorés.»

Leurs recherches incluent l'utilisation réussie de leur technologie pour stimuler de fausses sensations dans les régions du cerveau qui contrôlent la vue. Bien que la souris ait réagi à l'entrée, elle n'a pas semblé modifier sa capacité cognitive, bien que ce soit un domaine d'intérêt dans les recherches à venir.

Pour l'instant, les subtilités de l'esprit humain restent trop complexes pour qu'un tel dispositif remplace ou même aide le cerveau. Bien qu'elle ne soit pas prête pour les essais sur l'homme, la technologie derrière la manière exacte dont les chercheurs ont programmé un cerveau reste fascinante.

Le potentiel futur de l'édition cérébrale

La communication avec le cerveau avec les ondes cérébrales changera complètement la façon dont les humains vivent. Les vieux souvenirs perdus dans le temps pouvaient être revus comme si c'était littéralement hier. Un tel système pourrait également aider les prothèses neurales à retrouver tous les sens ou aider le cerveau à fonctionner au jour le jour. La capacité de programmer un cerveau comporte également la possibilité de pouvoir supprimer complètement des souvenirs.

L'édition du cerveau à l'aide d'hologrammes est déjà une réalité. Bien sûr, les scientifiques devront encore effectuer des recherches approfondies sur la technologie avant que les essais sur l'homme ne soient approuvés - à condition que le public soit prêt à accepter une recherche aussi profonde comme morale et juste.


Voir la vidéo: Sixteen HOLOGRAMME (Mai 2022).