Les premiers tests in vivo démontrent que les ultrasons peuvent être utilisés pour alimenter sans fil et communiquer avec des appareils à l’échelle millimétrique placés chirurgicalement dans les muscles et les nerfs

[email protected]/08/2016

La modulation thérapeutique de l’activité du système nerveux périphérique (SNP) du corps recèle un monde de potentiel pour atténuer et traiter les maladies et autres problèmes de santé – si les chercheurs peuvent trouver un mécanisme réalisable à long terme pour communiquer avec les nerfs et les voies qui composent l’autoroute de l’information du corps entre la moelle épinière et les autres organes.

À quoi ressemble « réalisable » ? Petit est le meilleur départ – assez petit pour être un jour injecté ou ingéré – mais aussi précis, sans fil, stable et confortable pour l’utilisateur. Les technologies modernes d’enregistrement à base d’électrodes présentent certaines de ces qualités, mais pas toutes. Les solutions câblées présentent des défis pour une utilisation chronique, tandis que les solutions sans fil existantes ne peuvent pas être suffisamment réduites aux tailles nécessaires pour enregistrer l’activité des nerfs de petit diamètre et enregistrer indépendamment de nombreux sites discrets au sein d’un faisceau nerveux. Le programme de prescriptions électriques (ElectRx) de la DARPA vise en partie à surmonter ces contraintes et à fournir des technologies d’interface adaptées à une utilisation chronique pour la biodétection et la neuromodulation des cibles nerveuses périphériques.

Maintenant, comme décrit dans les résultats publiés aujourd’hui dans la revue Neuron, une équipe de recherche financée par la DARPA et dirigée par l’Université de Californie, le département de génie électrique et d’informatique de Berkeley a développé un dispositif sans fil sûr à l’échelle millimétrique suffisamment petit pour être implanté dans nerfs individuels, capables de détecter l’activité électrique des nerfs et des muscles au plus profond du corps, et qui utilisent les ultrasons pour le couplage de puissance et la communication. Ils appellent ces appareils « poussière neurale ». L’équipe a réalisé les premiers tests in vivo de cette technologie sur des rongeurs.

« La poussière neurale représente une rupture radicale avec l’approche traditionnelle consistant à utiliser les ondes radio pour la communication sans fil avec des dispositifs implantés », a déclaré Doug Weber, responsable du programme DARPA pour ElectRx. « Les tissus mous de notre corps sont principalement constitués d’eau salée. Les ondes sonores traversent librement ces tissus et peuvent être focalisées avec une précision extrême sur des cibles nerveuses profondes à l’intérieur de notre corps, contrairement aux ondes radio. En effet, c’est pourquoi le sonar est utilisé pour imager les objets dans l’océan, tandis que le radar est utilisé pour détecter les objets dans l’air. En utilisant des ultrasons pour communiquer avec la poussière neurale, les capteurs peuvent être rendus plus petits et placés plus profondément à l’intérieur du corps, par injection d’aiguille ou d’autres approches non chirurgicales.

Les prototypes de « particules » de poussière neurale mesurent actuellement 0,8 millimètre x 3 millimètres x 1 millimètre, assemblés avec des composants disponibles dans le commerce. Les chercheurs estiment qu’en utilisant des pièces et des processus personnalisés, ils pourraient fabriquer des particules individuelles de 1 millimètre cube ou moins, peut-être aussi petites que 100 microns par côté. La petite taille signifie que plusieurs capteurs peuvent être placés les uns à côté des autres pour effectuer des enregistrements plus précis de l’activité nerveuse à partir de nombreux sites au sein d’un nerf ou d’un groupe de nerfs.

Bien que leur taille minuscule soit un exploit en soi, les grains de poussière sont tout aussi impressionnants pour l’élégante simplicité de leur ingénierie. Chaque capteur se compose de seulement trois parties principales : une paire d’électrodes pour mesurer les signaux nerveux, un transistor personnalisé pour amplifier le signal et un cristal piézoélectrique qui sert le double objectif de convertir la puissance mécanique des ondes ultrasonores générées de l’extérieur en puissance électrique et de communiquer l’activité nerveuse enregistrée. Le système de poussière neurale comprend également une carte d’émetteur-récepteur externe qui utilise des ultrasons pour alimenter et communiquer avec les motes en émettant des impulsions d’énergie ultrasonore et en écoutant les impulsions réfléchies. Pendant les tests, la carte d’émetteur-récepteur a été positionnée à environ 9 millimètres de l’implant.

Le cristal piézoélectrique est la clé de la conception de la poussière neurale. Les impulsions d’énergie ultrasonore émises par la carte externe affectent le cristal. Alors que certaines des impulsions sont réfléchies vers le tableau, d’autres font vibrer le cristal. Cette vibration convertit la puissance mécanique de l’onde ultrasonore en puissance électrique, qui est fournie au transistor du grain de poussière. Pendant ce temps, tout changement de tension extracellulaire à travers les deux électrodes d’enregistrement du mote – généré par l’activité nerveuse – module la grille du transistor, ce qui modifie le courant circulant entre les bornes du cristal. Ces changements de courant modifient la vibration du cristal et l’intensité de son énergie ultrasonore réfléchie. De cette manière, la forme des impulsions ultrasonores réfléchies encode le signal de tension électrophysiologique enregistré par les électrodes implantées. Ce signal peut être reconstruit de manière externe par l’électronique attachée à la carte de l’émetteur-récepteur pour interpréter l’activité nerveuse. « L’une des caractéristiques les plus attrayantes des capteurs de poussière neuronaux est qu’ils sont complètement passifs. Parce qu’il n’y a pas de piles à changer, il n’y a pas besoin d’autres interventions chirurgicales après l’implantation initiale », a déclaré Weber.

Un autre avantage du système est que les ultrasons sont sans danger pour le corps humain ; les technologies ultrasonores sont utilisées depuis longtemps à des fins diagnostiques et thérapeutiques. La plupart des capteurs PNS sans fil existants utilisent l’énergie électromagnétique sous forme d’ondes radio pour le couplage et la communication, mais ces systèmes deviennent inefficaces pour les capteurs inférieurs à 5 millimètres. Pour fonctionner à plus petite échelle, ces systèmes doivent augmenter leur production d’énergie, et une grande partie de cette énergie est absorbée par les tissus environnants. L’échographie a l’avantage de pénétrer plus profondément dans les tissus à des niveaux de puissance inférieurs, réduisant ainsi le risque d’effets indésirables tout en offrant une excellente résolution spatiale.

Cette preuve de concept a été développée dans le cadre de la première phase du programme ElectRx. L’équipe de recherche continuera de travailler à la miniaturisation des capteurs, à la biocompatibilité, à l’augmentation de la portabilité de la carte d’émetteur-récepteur et à la clarté du traitement des signaux lorsque plusieurs capteurs sont placés les uns à côté des autres.

Légende de l’image : Chaque capteur de poussière neuronal se compose de seulement trois parties principales : une paire d’électrodes pour mesurer les signaux nerveux, un transistor personnalisé pour amplifier le signal et un cristal piézoélectrique qui sert le double objectif de convertir la puissance mécanique des ondes ultrasonores générées de l’extérieur. en énergie électrique et en communiquant l’activité nerveuse enregistrée.

Source Implantable “Neural Dust” Enables Precise Wireless Recording of Nerve Activity

Neurotechnologie non chirurgicale de nouvelle génération

Dr Gopal Sarma

Le programme de neurotechnologie non chirurgicale de nouvelle génération (N ³ ) vise à développer des interfaces cerveau-machine bidirectionnelles à haute performance pour les membres valides du service. De telles interfaces permettraient une technologie pour diverses applications de sécurité nationale telles que le contrôle des véhicules aériens sans pilote et des systèmes de cyberdéfense actifs ou l’association avec des systèmes informatiques pour effectuer plusieurs tâches avec succès lors de missions militaires complexes.

Alors que les interfaces neuronales les plus efficaces et les plus avancées nécessitent une intervention chirurgicale pour implanter des électrodes dans le cerveau, la technologie N ³ ne nécessiterait pas d’intervention chirurgicale et serait portable, rendant ainsi la technologie accessible à une population beaucoup plus large d’utilisateurs potentiels. . Les neurotechnologies non invasives telles que l’électroencéphalogramme et la stimulation transcrânienne à courant continu existent déjà, mais n’offrent pas la précision, la résolution du signal et la portabilité requises pour des applications avancées par des personnes travaillant dans des environnements réels.

La technologie N ³ envisagée dépasse les limites de la technologie existante en fournissant un dispositif intégré qui ne nécessite pas d’implantation chirurgicale, mais qui a la précision de lire et d’écrire sur 16 canaux indépendants dans un volume de tissu neural de 16 mm 3 ^en 50 ms. Chaque canal est capable d’interagir spécifiquement avec des régions submillimétriques du cerveau avec une spécificité spatiale et temporelle qui rivalise avec les approches invasives existantes. Des appareils individuels peuvent être combinés pour offrir la possibilité de s’interfacer à plusieurs points du cerveau à la fois.

Pour permettre les futures interfaces cerveau-machine non invasives, les chercheurs de N ³ travaillent à développer des solutions qui répondent à des défis tels que la physique de la diffusion et de l’affaiblissement des signaux lorsqu’ils traversent la peau, le crâne et les tissus cérébraux, ainsi qu’à concevoir des algorithmes pour décodant et encodant des signaux neuronaux qui sont représentés par d’autres modalités telles que l’énergie lumineuse, acoustique ou électromagnétique.

Source Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology

DARPA : Puce sous-cutanée pour détecter le coronavirus COVID-19

2021 : Création d’une puce implantable sous la peau qui détecte le COVID-19 en quelques minutes

À la mi-avril 2021, un laboratoire de recherche militaire USA DARPA a développé une puce implantable sous la peau qui peut vérifier en continu le sang pour de nouvelles souches de coronavirus et informer le propriétaire de l’infection en quelques minutes. Selon les chercheurs, le développement est en phase de test tardive et sera utilisé par les marins.

Une micropuce placée dans un gel semblable à un tissu suit diverses réactions chimiques dans le corps et signale le développement de la maladie la veille de l’apparition des symptômes. Selon les chercheurs, la puce implantée ne suit pas les mouvements de l’utilisateur et ne peut être utilisée contre son gré.

La DARPA a développé une puce implantable sous la peau qui détecte le COVID-19 en quelques minutes

Les puces à ADN médicales sont utilisées depuis 2004, lorsque les autorités de réglementation ont approuvé l’utilisation d’un dispositif implantable d’identification par radiofréquence (RFID) qui permet aux médecins d’accéder aux dossiers médicaux de leurs propriétaires. Depuis lors, les scientifiques ont développé des puces implantables pour administrer des contraceptifs et d’autres médicaments, ainsi que des puces qui contrôlent divers indicateurs de santé, notamment la fréquence cardiaque et les niveaux d’oxygène dans le sang.

Une autre invention récente de la DARPA est un filtre qui peut être fixé à une machine de dialyse pour éliminer les particules de coronavirus du sang des patients gravement malades. Le filtre a été testé sur le « patient 16 », l’épouse d’un des militaires qui était décédé en raison d’une défaillance d’organes multiples et d’un choc septique sur fond de COVID- 19 . Après un traitement expérimental de quatre jours, le patient a complètement récupéré.

Source DARPA: Subcutaneous chip to detect COVID-19 coronavirus

DARPA vue par CBS

DARPA Wikipédia

La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) (« Agence pour les projets de recherche avancée de défense ») est une agence du département de la Défense des États-Unis chargée de la recherche et développement des nouvelles technologies destinées à un usage militaire. Jusqu’à aujourd’hui, la DARPA a été à l’origine du développement de nombreuses technologies qui ont eu des conséquences considérables dans le monde entier dont les réseaux informatiques (notamment l’ARPANET qui a fini par devenir Internet) et le NLS (sigle représentant, en anglais, l’expression « oN-Line System », en français, littéralement, « système en ligne ») qui a été à la fois le premier système hypertexte et un précurseur important des interfaces graphiques devenues omniprésentes de nos jours.

Projets DARPA liste en anglais: https://en.wikipedia.org/wiki/DARPA