Plateforme électro-optique intelligente pour le contrôle neuronal en boucle fermée chez les animaux en mouvement libre

1. Résumé du projet

Ce projet de trois ans qui regroupe des expertises de classe mondiale en génie et en neuroscience permettra de développer un nouvel outil très avancé qui changera la façon dont on étudie le cerveau et ses maladies associées. Cet outil très puissant contribuera, entres autres, à accélérer la découverte de nouveaux traitements contre les accidents vasculaires cérébraux et les maladies du cerveau, comme les troubles de l’humeur et la dépression. À ce jour, l’absence de tests pertinents et représentatifs pour évaluer l’action et l’effet de médicaments, comme les antidépresseurs, sur le cerveau d’animaux représente un obstacle majeur à l’identification de molécules et de cibles précliniques efficaces chez l’homme. Or, comme l’activité neuronale est fortement corrélée avec les stimulations environnementales et avec les réponses comportementales mise de l’avant pour s’adapter, il est capital de mesurer ces effets chez un animal actif dans un contexte où il fait face à différentes situations. Ce projet consiste à développer la première plateforme électro-optique sans fil pouvant être attachée ou implantée dans le corps de petits animaux de laboratoire afin d’étudier leurs cerveaux intacts et leurs métabolismes, sans interruption et sans supervision, directement à l’intérieur de l’animalerie. Ce nouvel outil aura un impact majeur pour la recherche et les études précliniques car :

1. Il permettra de mesurer directement l’effet d’un médicament, en temps réel, sur les circuits cérébraux d’animaux de laboratoire ;
2. Il simplifiera les expériences avec des sujets de laboratoire ;
3. Il minimisera l’impact sur les animaux.

Le dispositif est constitué 1) d’un implant électro-optique incorporant les modes d’interaction suivants : photométrie, électrophysiologie multicanal, et stimulation optogénétique, 2) d’un lien de communication robuste, d’une base de données, et d’un contrôleur numérique BF incorporant un émetteur-récepteur sans fil et des processeurs graphiques exécutant des algorithmes d’analyse et d’apprentissage automatiques puissants en temps réel, et 3) d’une station de base incorporant un système de recharge inductif intégré à l’environnement expérimental et permettant de recharger la petite pile alimentant l’implant à distance, sans déranger l’animal. L’approche proposée est articulée autour de la conception de puces CMOS dédiées, la transmission sans fil de données et d’énergie, la conception de processeurs de traitement numériques des signaux spécialisés et la conception d’un système d’analyse basé sur les méthodes d’apprentissage automatiques embarquées. Ces éléments, mis ensemble, permettront de développer une technologie unique, originale et vraiment habilitante pour la recherche et les études précliniques.

Le développement de la technologie proposée repose sur l’expertise d’une équipe multidisciplinaire de classe mondiale comptant deux ingénieurs de l’Université Laval et trois neuroscientifiques du Centre CERVO. Le projet permettra de forger une expertise de pointe qui deviendra la pierre angulaire du développement de nouvelles plateformes pour l’industrie de la recherche médicale et du génie biomédical au Canada. À long terme, nous estimons que la plateforme pourra servir à développer plusieurs approches thérapeutiques importantes visant le traitement de divers troubles, comme certaines maladies neurodégénératives liées au vieillissement, l’autisme, etc.