Des chercheurs de Cornell mettent au point un dispositif sans fil ultra-léger pour suivre le cerveau des animaux à l'état sauvage

Des bio-ingénieurs et des neuroscientifiques de Cornell University ont mis au point un dispositif d'enregistrement cérébral sans fil et ultra-miniaturisé, conçu pour suivre l'activité neurale des animaux lors de déplacements non restreints dans des environnements naturels. Selon les informations communiquées par la TOI Science Desk, le système pèse moins qu'une pièce standard de dix cents des États-Unis, dont la masse officielle est de 2.268 grammes. En éliminant les blocs de batteries encombrants, les faisceaux de fibres optiques épais et le câblage physique qui reliait jusqu'ici les sujets aux consoles d'enregistrement, cette technologie permet aux chercheurs d'observer la manière dont les animaux se déplacent, communiquent et interagissent socialement sans interférence mécanique.

## Key facts

- Conçu par des chercheurs de Cornell University à Ithaca, dans l'État de New York. - Sa masse est inférieure à celle d'une pièce de dix cents américaine, ce qui porte le poids total de l'appareil sous la barre des 2.268 grammes. - Fonctionne via une télémesure sans fil à faible consommation pour transmettre les données neurales en temps réel. - Permet un mouvement physique sans contrainte, incluant la navigation, l'interaction sociale et la communication. - Surmonte les limites de poids physique qui restreignaient auparavant l'enregistrement neural sans fil chez les petits modèles animaux.

## What happened

Selon les informations de la TOI Science Desk, l'équipe de Cornell University a conçu un module de télémesure neurale léger et entièrement intégré, capable de capter des signaux électriques complexes du cerveau lorsqu'il est fixé sur un animal en libre mouvement. Les expériences de neurophysiologie traditionnelles exigent souvent que les animaux soient reliés à du matériel d'enregistrement fixe par des câbles coaxiaux ou de fibre optique, ou qu'ils portent de lourds modules céphaliques qui altèrent leur démarche et leur posture naturelles.

Le nouveau matériel intègre l'amplification du signal, les microcircuits de numérisation et la transmission sans fil sur une carte de circuit imprimé microscopique alimentée par une source d'énergie minimale. En réduisant l'empreinte physique et la masse de l'ensemble à moins de deux grammes, l'appareil peut être fixé sur de petits sujets de laboratoire ou des animaux sauvages sans dépasser les limites de charge physiologique. Cela permet aux chercheurs de transmettre en continu des données neurales sur des canaux sans fil à haute fréquence pendant que les sujets se déplacent, cherchent leur nourriture, communiquent ou s'engagent dans des comportements sociaux au sein d'environnements complexes.

## Why it matters

Comprendre la base neurologique des comportements complexes nécessite d'observer les animaux lorsque leurs actions ne sont pas entravées. Pendant des décennies, les électrophysiologistes ont été confrontés à un dilemme fondamental : les données neurales de haute fidélité ne pouvaient être recueillies que sur des animaux immobiles, des sujets contenus ou des créatures traînant de lourds câbles qui restreignaient leurs mouvements naturels. Cet environnement artificiel peut altérer le niveau de stress, les schémas de locomotion et les circuits de décharge neurale, risquant ainsi de fausser les observations scientifiques sur la cartographie spatiale, les fonctions exécutives et les interactions sociales.

En réduisant le poids du matériel sous le seuil de 2.268 grammes d'une pièce de dix cents américaine, le dispositif de Cornell ouvre de nouvelles perspectives de recherche pour les modèles de petits animaux. Les souris de laboratoire (*Mus musculus*), qui pèsent généralement entre 18 et 30 grammes, peuvent porter ce module sans dépasser les directives vétérinaires standard en matière de charge embarquée. Le suivi sans fil ultra-léger permet également aux chercheurs d'étudier des espèces dont les comportements sont impossibles à reproduire dans des installations de laboratoire avec câbles, comme les oiseaux chanteurs en vol, les chauves-souris naviguant en trois dimensions ou les rongeurs évoluant dans des réseaux complexes de galeries souterraines.

Au-delà de la recherche biologique fondamentale, les principes d'ingénierie sous-jacents à la télémesure sans fil sous le gramme ont des applications directes dans le génie biomédical humain. Des interfaces neurales ultra-légères et à faible consommation d'énergie sont essentielles au développement des interfaces cerveau-machine (ICM) de nouvelle génération, des diagnostics médicaux autonomes et des neuroprothèses avancées nécessitant une consommation d'énergie minimale et un dégagement thermique négligeable.

## The background

Le domaine de l'électrophysiologie a considérablement évolué depuis le milieu du XXe siècle, époque à laquelle les scientifiques ont enregistré pour la première fois des potentiels d'action individuels à partir de tissus cérébraux en utilisant de fines microélectrodes métalliques. Les premières études exigeaient que les animaux de laboratoire soient fixés dans des cadres stéréotaxiques pour éviter que les artefacts de mouvement ne corrompent les signaux électriques délicats.

En 1971, le neuroscientifique John O'Keefe a découvert les cellules de lieu dans l'hippocampe des rongeurs à l'aide des premières techniques d'enregistrement par fils flexibles, un travail qui lui a valu de partager le prix Nobel de physiologie ou médecine en 2014 avec May-Britt Moser et Edvard Moser, découvreurs des cellules grilles en 2005. Ces avancées fondamentales sur la façon dont le cerveau construit des cartes spatiales reposaient sur des câbles reliés à des commutateurs rotatifs suspendus au-dessus d'arènes ouvertes. Cependant, les installations câblées restent fondamentalement limitées par le couple, la friction des câbles et leur emmêlement, restreignant les expériences à des enclos plats et ouverts.

Au cours des dernières décennies, l'électronique à semi-conducteurs et les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) ont permis la création de sondes neurales en silicium, telles que la technologie Neuropixels lancée en 2017. Bien que ces sondes aient considérablement augmenté le nombre de canaux cérébraux enregistrés simultanément — passant de quelques dizaines à des centaines ou des milliers —, elles reposaient encore lourdement sur des câbles de données physiques ou de lourds modules céphaliques pour le traitement des données et l'alimentation. Les Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC) des grands établissements de recherche exigent généralement que les dispositifs expérimentaux montés sur la tête ne dépassent pas 5% à 10% du poids corporel total du sujet pour éviter la fatigue cervicale, l'altération de la biomécanique ou une détresse chronique. Par conséquent, réussir un enregistrement neural sans fil pesant moins de deux grammes est demeuré un objectif majeur en ingénierie neurale.

## Reaction

Bien que les déclarations publiques officielles d'organismes académiques externes n'aient pas été incluses dans le rapport initial de la TOI Science Desk, ce développement devrait susciter un intérêt considérable au sein des communautés mondiales de neurosciences, de bio-ingénierie et de recherche éthique.

Les neuroscientifiques spécialisés en éthologie — l'étude du comportement animal naturel — devraient évaluer la manière dont le dispositif fonctionne dans différentes conditions environnementales, telles que des sites de terrain très humides ou des galeries souterraines. Les défenseurs du bien-être des animaux de laboratoire et les comités de contrôle institutionnels sont susceptibles d'accueillir favorablement la réduction de la charge physique sur les sujets d'expérience, car un matériel plus léger réduit le stress physique et diminue le risque de blessure mécanique associé aux câbles accrochés.

Les entreprises commerciales de technologie neurale et les initiatives de matériel open source en neurosciences devraient également examiner l'architecture de conception du système afin de déterminer si ses protocoles de transmission sans fil à faible consommation peuvent être intégrés dans les flux de travail de recherche existants ou adaptés aux neurotechnologies humaines.

## What we don't know yet

Plusieurs détails techniques clés restent non confirmés dans le rapport initial de la TOI Science Desk. Le nombre exact de canaux — le nombre de cellules cérébrales individuelles ou de potentiels de champ locaux que l'appareil peut surveiller simultanément — n'a pas été précisé. Les systèmes à haute densité de canaux nécessitent généralement une puissance de calcul et une bande passante de transmission plus élevées, ce qui impose des compromis de conception entre la résolution des données et la masse de la batterie.

De plus, la durée de fonctionnement de la batterie et la portée sans fil continue du matériel ne sont pas précisées. On ignore actuellement si l'appareil s'appuie sur des piles primaires miniatures, des micro-condensateurs rechargeables ou un transfert d'énergie sans fil continu par récupération de radiofréquences (RF). Les espèces animales spécifiques utilisées pour tester le système lors des premiers essais, ainsi que le fait de savoir si le matériel sera diffusé en tant qu'outil académique open source ou commercialisé par le biais d'une entreprise privée, restent également à préciser.

## What to watch

La prochaine étape immédiate pour l'équipe de recherche de Cornell sera la publication de sa méthodologie complète et des données de validation empirique dans une revue scientifique internationale à comité de lecture. Les chercheurs et les observateurs du secteur surveilleront ces publications à venir afin d'obtenir des mesures détaillées sur le rapport signal sur bruit, la dissipation thermique, les profils de sécurité thermique et la stabilité à long terme du signal dans le cadre d'implantations chroniques.

Il conviendra de suivre les études de suivi démontrant l'utilisation de cette technologie dans des environnements expérimentaux non standard, tels que des enclos sociaux multi-animaux, des labyrinthes tridimensionnels complexes ou des stations de terrain en extérieur. D'autres institutions de recherche pourraient également tenter d'adapter cette technologie à des outils expérimentaux complémentaires, par exemple en combinant l'électrophysiologie sans fil à l'optogénétique sans fibre ou à des caméras miniatures fixées sur la tête (miniscopes).

*This report is based on original news coverage provided by the TOI Science Desk.*