Stimulation cérébrale avec ultrasons 3D contre les maladies neurologiques

Le transducteur à ultrasons matriciel 3D pour la neurostimulation transcrânienne est capable de stimuler avec précision des points spécifiques en profondeur dans le cerveau. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Le transducteur à ultrasons matriciel 3D pour la neurostimulation transcrânienne peut stimuler des points précis en profondeur dans le cerveau avec une précision ciblée. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Dans la planification thérapeutique, les champs sonores sont calculés et définis pour une région spécifique du cerveau. © Fraunhofer IBMT

Système de thérapie par ultrasons pour la neurostimulation transcrânienne. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Système de thérapie par ultrasons pour la neurostimulation transcrânienne. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Les chercheurs du Fraunhofer ont développé une technologie permettant d'utiliser des signaux ultrasonores pour la stimulation ciblée des zones du cerveau. Un système ultrasonore spécial avec 256 transducteurs ultrasonores contrôlables individuellement est capable de cibler et de stimuler précisément des points dans la profondeur du cerveau. À l'avenir, la technologie innovante de son 3D du Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT pourrait être utilisée dans le traitement de maladies telles que l'épilepsie, la maladie de Parkinson, la dépression, les troubles liés à la dépendance ou encore les séquelles d'AVC.

L'activité électrique d'environ 86 milliards de neurones constitue la base des capacités du cerveau à traiter les impressions sensorielles, à stocker des informations, à prendre des décisions et à contrôler les fonctions du corps. En conséquence, des maladies telles que la maladie de Parkinson, l'épilepsie ou le tremblement dépendent également du traitement des signaux et de l'interaction des neurones. Depuis des décennies, les chercheurs tentent donc de traiter les maladies neurologiques par stimulation électrique ou électromagnétique des zones cérébrales concernées. Cependant, des méthodes telles que la stimulation par champs magnétiques externes n'obtiennent actuellement pas de résultats optimaux en raison de leur précision relativement faible. La pose chirurgicale d'électrodes dans le cerveau est en revanche très risquée.

Des scientifiques du Fraunhofer IBMT à Saint-Ingbert en Sarre travaillent sur une neurostimulation non invasive des zones du cerveau basée sur l'ultrason. L'applicateur correspondant (tête de son) est placé sur la tête via un coussin flexible. Ses signaux ultrasonores sont d'une intensité si faible qu'ils ne endommagent pas le tissu cellulaire, tout en pouvant être focalisés très précisément grâce à une commande 3D du faisceau sonore (3D-Beam-Steering). Les médecins et chercheurs ont donc de grands espoirs dans cette technologie. À l'avenir, elle pourrait être utilisée pour traiter diverses maladies neurologiques telles que l'épilepsie ou pour traiter les séquelles d'AVC. Les chercheurs du Fraunhofer développent cette méthode dans le cadre de plusieurs projets de recherche publics et industriels, en collaboration avec des partenaires d'Allemagne, de l'UE, des États-Unis, du Canada et d'Australie.

Signaux sonores 3D pour la stimulation en profondeur

Les chercheurs du Fraunhofer, dans l'équipe du chef de département Steffen Tretbar, ont développé une configuration unique pour cette technologie. Celle-ci permet de diriger les ondes ultrasonores vers des points précis dans le cerveau et de les cibler même lorsqu'ils se trouvent en profondeur dans le tissu. Pour cela, l'équipe a conçu une tête de son spéciale avec 256 éléments individuels, un transducteur ultrasonore. Chacun des 256 éléments du transducteur peut être contrôlé séparément. Steffen Tretbar explique l'idée de base : « Grâce à une commande individuelle des 256 canaux électroniques, le traitement par ultrason 3D devient possible. Les éléments disposés en damier du transducteur irradiant la zone cérébrale souhaitée sous différents angles. Ainsi, le point de convergence, c'est-à-dire l'endroit où se croisent les faisceaux, peut être placé à une profondeur spécifique dans le tissu cérébral. La prise en charge est donc personnalisable pour chaque patient. »

Pour les transducteurs ultrasonores, les chercheurs du Fraunhofer utilisent des éléments piézoélectriques. Ceux-ci modifient leur surface lorsqu'une tension leur est appliquée, produisant ainsi des ultrasons. Les chercheurs travaillent actuellement à une augmentation de la précision en utilisant simultanément deux transducteurs ultrasonores et en croisant dynamiquement les faisceaux dans la zone cible. La combinaison d’un foyer très petit, compris entre trois et cinq millimètres, et d’un placement presque arbitraire du foyer en profondeur dans le cerveau permet une modulation ciblée et en même temps douce des zones cérébrales. Les fréquences ultrasonores se situent dans la gamme basse, inférieure à 1 MHz, par exemple autour de 500 kHz. « L’humain ne ressent rien et l’ultrason, en raison de sa faible intensité, est considéré comme sans danger selon l’état actuel de la recherche », explique Tretbar. Pour un traitement qui, selon l’avis des médecins, ne durerait que quelques minutes par séance, il n’est pas nécessaire de raser les cheveux. Avant de placer le coussin avec le module ultrasonore sur la tête, il suffit d’appliquer un gel de contact dans les cheveux.

Points de repère issus de l’imagerie par résonance magnétique

L’équipe du Fraunhofer IBMT a développé, en plus du transducteur ultrasonore et de l’électronique, le logiciel permettant de contrôler individuellement les 256 éléments du transducteur. Les données nécessaires à la planification sont obtenues par le logiciel à partir des résultats d’une imagerie par résonance magnétique du patient. Celle-ci marque les zones cérébrales responsables de la maladie neuronale concernée ainsi que leur position. Les marquages sont intégrés dans un ensemble de données qui est ensuite chargé dans le logiciel de contrôle. Avec ces données de position, il est possible d’aligner précisément les signaux ultrasonores. Il est également possible de programmer l’appareil ultrasonore pour qu’il envoie les faisceaux selon une séquence prédéfinie ou en suivant certains motifs de mouvement. Ainsi, les médecins pourront à l’avenir définir individuellement tous les paramètres pour chaque patient. « C’est encore un domaine de recherche relativement récent, mais très prometteur. Actuellement, des cliniques et chercheurs du monde entier travaillent à développer et tester de telles séquences ultrasonores », ajoute Tretbar.

Le Fraunhofer IBMT possède une longue expérience dans le développement de matrices ultrasonores, de systèmes ultrasonores multi-canaux et dans la formation de faisceaux sonores via le beam-steering. Fort de cette expertise, une plateforme technologique universelle a été créée, en constante évolution. « Les chercheurs peuvent utiliser notre plateforme technologique pour développer toutes sortes de thérapies et, à l’avenir, les tester dans des essais cliniques », indique Tretbar.

Soulagement des symptômes

Les médecins ne s’attendent pas à une guérison complète avec le traitement par ultrason dans des maladies telles que Parkinson ou l’épilepsie, mais espèrent au moins une atténuation perceptible des symptômes. De plus, l’ultrason représente une alternative prometteuse aux médicaments classiques. À long terme, la nouvelle technologie pourrait également permettre de dissoudre la plaque dans les cellules cérébrales en cas de maladie d’Alzheimer ou de traiter la dépression et les dépendances neuronales.

L’équipe du Fraunhofer collabore avec des chercheurs de divers partenaires de projets et universités. Le professeur Andreas Melzer, directeur de l’Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS) de l’Université de Leipzig, mise beaucoup sur cette nouvelle technologie : « La possibilité de cibler précisément des points profonds dans le cerveau, ainsi que la séquenciation des signaux ultrasonores, ouvre à l’avenir de toutes nouvelles possibilités pour expérimenter et développer une neurostimulation personnalisée. »