mardi 29 octobre 2019

Quelle Partie du Cerveau Prend les Décisions ?



Dans notre vie quotidienne, nous sommes capables de prendre des milliers de décisions, 
qui peuvent avoir plus ou moins d’importance

S'il y a quelque chose qui caractérise les êtres humains, c'est que toute leur vie repose sur une prise de décision continue, couvrant non seulement les besoins ou situations de base, mais ayant des effets à court terme  quoi manger, quels vêtements porter, etc.  mais aussi d'autres plus complexes  quelle formation politique voter, où investir, accepter ou non une offre d'emploi, se faire opérer, par exemple  dont les conséquences laissent longtemps leurs traces, parfois de façon permanente et irréversible.

La formule classique de Platon a régné pendant près de 20 siècles, selon laquelle l'homme a une âme en conflit constant, divisée entre la raison et les émotions tenues pour responsables des erreurs. Cependant, la science moderne, surtout depuis le XXème siècle  avec le développement de la psychologie et des neurosciences  a montré que, dans les faits, le processus est beaucoup plus complexe.

Selon le neuro-scientifique Lehrer, il ne faut pas sous-estimer, comme le faisaient les philosophes classiques, les émotions, car elles jouent un rôle majeur dans le processus de la pensée. Elles sont positives, même lorsque des erreurs sont commises, car à moins de ressentir les symptômes désagréables de l’erreur, le cerveau n’examinera jamais ses modèles.

Comment prendre une décision rapide et adaptée dans un environnement complexe et changeant ? C’est une question à laquelle nous sommes tous confrontés, pris dans les flots d’information parfois contradictoires propres à la vie moderne.

De façon plus pragmatique, il s'agit d'un enjeu de survie pour tous les organismes vivants qui naviguent entre la nécessité de quérir des ressources et celle d’éviter les prédateurs. Dès lors, il semble raisonnable de postuler que l’évolution a favorisé le développement d’une architecture cérébrale permettant une prise de décision rapide et adaptée. En identifier les principes fonctionnels est un enjeu majeur des neurosciences contemporaines.

Comment le cerveau et les circuits neuronaux agissent-ils pour traiter les informations et choisir en conséquence ?

Nous devons choisir quoi faire et, bien que les décisions soient logiquement très différentes, nos circuits neuronaux doivent fonctionner pour traiter toutes les données et choisir en conséquence. La science se demande depuis des années exactement comment fonctionnent les groupes de neurones responsables de la prise de décision. Avant de prendre une décision, nous devons analyser les conditions environnantes. Le cerveau, avant l'élection, doit traiter cette information et ensuite être capable de décider correctement.

Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient qu'il y avait deux groupes de neurones : un premier réseau de cellules nerveuses serait chargé de filtrer si le mouvement ou la couleur était plus pertinent pour prendre la décision, tandis que le second groupe de neurones devrait uniquement tenir compte des informations sensorielles, préalablement filtrées pour choisir ce que nous faisions.

En d'autres termes, la recherche a supposé que nous ne pouvions pas traiter toutes les informations de manière globale et que, par conséquent, nous avions besoin de deux passerelles neurales, qui nous aideraient à filtrer ces données.

Évolution de certaines études scientifiques concernant la prise de décision

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Des chercheurs découvrent une zone du cerveau liée à la prise de décision

Un groupe de chercheurs de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle, dont l'étude a été publiée dans les Actes de l'Académie des États-Unis d'Amérique (PNAS) en octobre 2009, a découvert une zone du cerveau, appelée cortex prémoteur, chargée de la surveillance et d’analyser les conséquences des décisions.

Pour adapter les décisions aux besoins de l’environnement, l’être humain doit évaluer ses actions et savoir si les réponses données sont correctes, grâce à l’introspection, à la mémoire et à la prise de décision, fonctions qui dépendent du cortex prémoteur.

Les chercheurs ont montré que les neurones de cette partie du cerveau effectuent toutes les opérations nécessaires à la prise de décision, évaluent leurs résultats et, par conséquent, modifient les critères d'ajustement du comportement.

Ils ont souligné, dans un communiqué, qu'il s'agissait d'une découverte d'une grande importance, car ces fonctions sont altérées dans de nombreux troubles du comportement et peuvent donc être des cibles thérapeutiques pour ces maladies.


Des chercheurs localisent la place du cerveau où les décisions sont prises

Selon une étude réalisée par des scientifiques de l'Université de Stanford et publiée dans le magazine Nature en novembre 2013, les décisions sont prises dans une seule région du cerveau. Et ce serait dans le cortex préfrontal  le lobe frontal , une zone dans laquelle un seul groupe de neurones intègre les informations pour prendre plus tard une décision à ce sujet. C'est une découverte que, si elle était confirmée, pourrait changer plusieurs concepts considérés comme allant de soi en neuroscience, car jusqu'à présent, on pensait que deux groupes de neurones entraient en jeu, et non un comme cela a été prouvé.

La ligne de recherche, dans laquelle ils ont utilisé des singes en tant que modèles animaux et programmes informatiques complexes, a conclu qu’il existe un point spécifique du cortex préfrontal responsable de ce type de traitement de données et de prise de décision.

En d'autres termes, il n'y aurait pas deux circuits neuronaux  filtrage de l'information et choix final . Au contraire, les décisions seraient prises par un seul groupe de neurones, situés dans le lobe frontal, qui intégrerait les informations et ferait ensuite un seul choix.

Leurs travaux, qui consistaient en des expériences biologiques et en utilisant des modèles informatiques, changeraient nombre des concepts actuellement connus en neuroscience. Cette étude, à l'instar d'autres projets liés à des projets neuro-biologiques, démontre une nouvelle fois l'inconnu que le cerveau est aujourd'hui, au 21ème siècle.


La zone du cerveau pour la prise de décision et la planification est "exclusivement humaine"

Des scientifiques de l'Université d'Oxford, dont les conclusions ont été publiées dans le magazine Neuron en janvier 2014, ont découvert une zone du cerveau qui semble être exclusive à l'homme et qui a très probablement quelque chose à voir avec les pouvoirs cognitifs.

Une zone de la taille d'une noix située dans le cortex frontal s'appelle le pôle frontal latéral. Il est responsable de la planification et de la prise de décision et, selon les nouvelles découvertes, n’a pas d’équivalent dans le cerveau du singe. Les chercheurs pensent donc que cette région du cerveau pourrait être responsable de la supériorité de l'être humain dans les tâches qui nécessitent une planification stratégique, la prise de décision et l'exécution de plusieurs tâches simultanément.

Les chercheurs ont comparé l'imagerie par résonance magnétique du cortex frontal ventrolatéral chez l'homme et chez le macaque, une région du cerveau qui contrôle le langage et les processus complexes de la pensée. Étonnamment, il a été constaté que la région était en grande partie reliée de la même manière entre les espèces. Mais la différence notable était le pôle frontal latéral.

Les parties du gros cortex frontal ventrolatéral sont impliquées dans des maladies telles que le TDAH (trouble d'hyperactivité avec déficit de l'attention), la toxicomanie et les troubles compulsifs. Le langage est affecté lorsque des parties de la zone sont endommagées à la suite d'un accident vasculaire cérébral ou de maladies neurologiques.

Par conséquent, une compréhension plus approfondie de cette zone aidera les scientifiques à en apprendre davantage sur les changements du cerveau dus aux maladies et aux dommages.


La prise de décision implique une zone du cerveau jusqu'à présent méconnue

Des scientifiques de l'Institut de neurosciences cognitives et intégratives d'Aquitaine (INCIA, CNRS/Université de Bordeaux), dont les travaux ont été publiés dans The Journal of Neuroscience en septembre 2015,  ont découvert qu'une zone du cerveau située dans le thalamus joue également un rôle capital dans la mise en œuvre d’une architecture cérébrale permettant une prise de décision rapide et adaptée.

Classiquement, il a été considéré que les fonctions cognitives les plus avancées, comme la capacité à raisonner, à planifier ou encore à élaborer des stratégies en vue de résoudre un problème, devaient nécessairement s’incarner dans les régions du cerveau les plus évoluées. De ce raisonnement découle un large intérêt des neuro-scientifiques pour le cortex, et plus particulièrement pour sa partie dite préfrontale. Cet engouement, s’il est compréhensible, a pour inconvénient d’occulter l’apport fonctionnel d’autres régions cérébrales.


Chez l’homme (à gauche) comme chez le rongeur (à droite), le cortex préfrontal (en vert) est la partie la plus antérieure du cerveau. Chez ces deux espèces, le thalamus (en bleu) correspond à une région profonde, dite sous-corticale.

Une région sous-corticale précise retient particulièrement l’attention : le thalamus, source principale de l’innervation de l’ensemble du cortex, et particulièrement de sa subdivision préfrontale.

Il faut concevoir le thalamus comme une structure fortement différenciée, constituée d’une multitude de “noyaux”  des groupements de neurones  ayant chacun une connectivité corticale qui lui est propre.

Initialement, le rôle du thalamus était conçu comme celui d’un transfert passif de l’information vers l’étage cortical supérieur, où les opérations mentales complexes sont censées opérer. Dès le début des années 1980, le rôle du thalamus dans la mémoire a pourtant été reconnu. Quelques années plus tard, certaines conceptions théoriques issues de la neurophysiologie ont fait valoir le fait que le cortex envoie lui aussi, en retour, des projections vers le thalamus et donc que cette dernière région ne saurait être limitée à un rôle de relais.

Il faut néanmoins attendre les toutes dernières années et la mise à disposition de nouvelles techniques en neurobiologie pour véritablement s’attaquer aux principes fonctionnels à l’œuvre dans les “boucles” formées par les projections réciproques unissant cortex et thalamus.

Les neurones du cortex préfrontal qui
innervent le thalamus apparaissent en rouge
Les scientifiques peuvent désormais étudier de façon spécifique les éléments constituants de ces fameuses boucles : les voies thalamo-corticales (du thalamus vers le cortex) et les voies cortico-thalamiques (du cortex vers le thalamus).

Pour ce faire, ils ont réalisé deux expériences complémentaires sur le rat visant à inhiber de façon transitoire et spécifique, par la méthode pharmacogénétique, les neurones thalamiques innervant le cortex préfrontal ou bien, au contraire, les neurones corticaux innervant le thalamus.

À chaque fois, ils ont examiné le choix des animaux lorsqu’ils évaluaient la valeur courante de la récompense ou le lien causal entre l’action et son effet.

Les résultats obtenus permettent d’établir que ces voies ont un rôle complémentaire mais néanmoins différent : inhiber la voie cortico-thalamique empêche les animaux de fonder leur choix sur la valeur courante de la récompense, mais pas sur l’effet escompté de l’action. Inhiber la voie thalamo-corticale est à l’inverse essentiellement délétère pour baser le choix sur le lien causal entre l’action et son effet.

Schéma d’un cerveau de rat montrant que les deux attributs principaux de la prise de décision, valeur de l’action et contingence, sont implémentés de façons différentielles par les voies thalamocorticales et corticothalamiques.

Ces résultats vont clairement à l’encontre de la vision classique du thalamus conçu comme un relais, puisqu’ils font au contraire apparaître le cortex préfrontal et le thalamus comme deux partenaires ayant chacun une partition à tenir pour une prise de décision adaptée. La direction de propagation de l’information apparaît dès lors comme une caractéristique fonctionnelle importante des circuits thalamo-corticaux.

Cette caractéristique ouvre de nouvelles perspectives pour mieux appréhender les principes de fonctionnement des circuits neuronaux. De nombreuses régions cérébrales sont réciproquement connectées et éprouver la généralité du principe de direction des informations apparaît comme un objectif important.

Cette étude permet d'identifier l'existence d'un circuit entre le thalamus et le cortex qui s'avère primordial dans la prise de décision adaptée à l'environnement. L'originalité de cette découverte provient du rôle fondamental que les chercheurs attribuent au thalamus submédian, une structure jusqu'à présent ignorée dans le domaine des comportements adaptatifs. Ce résultat suggère que de nombreux circuits fonctionnels sous-tendant ce type de comportement impliqueraient une contribution du thalamus. Les chercheurs comptent poursuivre l'exploration de ces circuits thalamo-corticaux, dont la compréhension pourrait améliorer notre connaissance de nombreuses pathologies, comme la schizophrénie ou encore l'addiction.


Des chercheurs trouvent une zone du cerveau qui génère des décisions "presque automatiques"

Des chercheurs de l'Université Pompeu Fabra et de la clinique hospitalière de Barcelone (Espagne), de Bournemouth (Royaume-Uni) et de l'Université Harvard (États-Unis), dont l'étude a été publiée dans la revue Nature Communications en mars 2017, ont découvert la région du cerveau, le cortex orbitofrontal, où les décisions reposent sur des expériences récentes, qui permettraient de prédire le comportement humain même avant le stimulus.

L'étude a montré que le cortex orbitofrontal pourrait être beaucoup plus impliqué dans la prise de décision qu'on ne le pensait auparavant.

Selon les recherches, cette région pourrait être responsable de l'intégration des informations sensorielles avec l'expérience récente afin de prendre une décision qui prenne en compte toutes les informations accessibles et optimise ainsi leurs chances de succès.

Pour les êtres vivants, obtenir des informations correctes du monde extérieur  par le biais des sens  est un processus essentiel pour prendre la décision la plus appropriée dans chaque situation particulière.

Les chercheurs ont travaillé avec des rats entraînés à résoudre une tâche de discrimination auditive, afin de commencer à comprendre le processus de prise de décision au niveau neuronal et les régions du cerveau impliquées. Les rats avaient la capacité de combiner les informations sensorielles qui leur avaient été données avec des données dont le passé était proche.

Ils ont découvert que les neurones du cortex orbitofrontal codent l'ensemble des variables pertinentes pour l'exécution correcte de la tâche : le passé récent, les informations sensorielles actuelles et, étonnamment, ils ont révélé pour la première fois une activité prédictive de la décision, même avant que l'information sensorielle soit présentée.

Selon les auteurs, c'est l'une des premières études à analyser, en fonction sur le comportement et les neurones, auxquels devaient-ils lire leur activité, dans le but de pouvoir prédire leur décision avant que le stimulus soit présenté.

Un autre progrès a été réalisé en effectuant des enregistrements électro-physiologiques dans le cortex orbitofrontal, ce qui leur a permis d'accéder à l'activité d'un petit groupe de neurones avec une résolution temporelle très élevée.

Une autre préoccupation de la science est de distinguer le cerveau féminin du cerveau masculin. On sait maintenant que, au-delà du sexe de la personne, l'interaction des hormones sexuelles féminise ou masculinise le cerveau.

Le "sexe du cerveau" est déterminé par l'exposition hormonale du bébé avant la naissance, qui n'a aucun lien avec l'homme ayant des testicules ou des ovaires, ni par la symétrie du cerveau de la femme entre les deux hémisphères.

Une combinaison d'expériences récentes et de celles du moment sont celles qui évaluent le cortex orbitofrontal du cerveau pour prendre une décision, une découverte qui, selon les scientifiques, ouvrirait la porte à la prédiction du comportement humain.

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Le cortex préfrontal

Le cortex préfrontal est le reflet le plus sophistiqué de notre évolution. Du point de vue évolutif, il s’agit de la dernière région corticale à se développer. Son développement n’est en réalité complet qu’à l’âge de 20 ou 25 ans.


Il est identifié facilement car il s’agit de cette zone rugueuse et plissée, située dans la zone la plus proche de notre visage, là où sont contenus les processus mentaux et cognitifs les plus complexes.

C’est la région du cerveau associée à la planification de comportements cognitivement complexes et à l’expression de la personnalité. Les scientifiques appellent “fonctions exécutives” toutes ces tâches sophistiquées effectuées par le cortex préfrontal.

Les parties du cortex préfrontal

Le cortex préfrontal est ce centre de contrôle sophistiqué et en même temps extrêmement complexe qui possède de multiples connexions avec différentes régions du cerveau. Ainsi, des structures telles que l’hippocampe, le thalamus et le reste des lobes cérébraux partagent avec lui des voies directes, des canaux où l’information va et vient de manière quasi incessante.

Les fonctions du cortex préfrontal

* Il coordonne et ajuste notre comportement social.

* Il nous aide à contrôler les impulsions et à gérer nos émotions.

* C’est dans cette zone que nous mettons en œuvre les processus liés à notre personnalité (être plus timide, plus audacieux, plus ouvert à l’expérience …).

* La motivation, la capacité à disposer de suffisamment d’illusion et d’impulsion pour atteindre un but, est également située dans le cortex préfrontal.

* Nous concentrons l’attention, nous organisons des informations complexes et planifions.

* C’est ici que se situe également la mémoire de travail, ces compétences cognitives grâces auxquelles nous conservons des informations lorsque nous expérimentons ou faisons des choses.


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Le cortex orbitofrontal

Le cortex orbitofrontal est l’une des zones cérébrales les plus intéressantes. Il est lié à notre personnalité, à nos émotions et surtout au comportement social.

Le cortex orbitofrontal est situé dans la partie frontale du cerveau. Il est juste au-dessus de nos orbites, ou cavités oculaires, et possède également des connexions directes avec les zones sensorielles et les structures du système limbique liées à l’émotion et à la mémoire.

Fonctions du cortex orbitofrontal

Le traitement des émotions sociales. Cette zone est connectée au système limbique ainsi qu’à l’amygdale. Or, la particularité de cette région est qu’elle articule les émotions liées à nos comportements sociaux : l’agressivité, le manque de respect, savoir vivre ensemble en favorisant des interactions appropriées avec les autres…

Cette structure abrite également un “système de surveillance”. En d’autres termes, nous essayons grâce à elle de nous comporter en fonction d’un contexte, en nous adaptant à un équilibre social où nous contrôlons nos impulsions les plus basiques.

Le système de récompense. Le cortex orbitofrontal est également lié aux comportements que nous, les humains, effectuons en fonction des récompenses ou des punitions que nous recevons.

La prise de décisions. Cette zone de notre cortex frontal possède une relation étroite avec ce comportement complexe que constitue l’acte de prendre une décision. Dans cette structure se situe notre motivation lorsque nous prenons l’initiative d’un comportement ou d’une action déterminée. Les personnes ayant une lésion du cortex orbitofrontal pourraient montrer une grande apathie, inhibition ou même un mutisme lors de la prise de décision. Si elles franchissent le pas et initient un type d’action en fonction d’un problème, elles seront incapables d’évaluer quelle option est la moins risquée, la plus prudente et adaptée aux attentes du contexte social le plus proche.

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mardi 8 octobre 2019

Nanotechnologie et Cerveau







Biotechnologie

La biotechnologie traditionnelle consiste à utiliser des êtres vivants simples  bactéries et levures  et des cellules eucaryotes en culture, dont le métabolisme et la capacité biosynthétique sont utilisés pour la fabrication de substances spécifiques pouvant être utilisées par l'homme.

La biotechnologie moderne permet, grâce à l'application intégrée des connaissances et des techniques de la biochimie, de la microbiologie, du génie chimique et surtout du génie génétique, de tirer parti des propriétés des microorganismes et des cultures cellulaires sur le plan technologique. Cela permet de produire un grand nombre de substances et de composés à partir de ressources renouvelables et abondamment disponibles.

Grâce à la biotechnologie, les scientifiques cherchent des moyens de tirer parti de la "technologie biologique" du vivant, pour produire des aliments plus sains, de meilleurs médicaments, des matériaux plus résistants ou moins polluants, des cultures plus productives, des sources d'énergie renouvelables et même des systèmes pour éliminer la pollution.

Biotechnologie rouge : s'applique à l'utilisation de la biotechnologie dans les processus médicaux. Certains exemples sont la conception d'organismes produisant des antibiotiques, la mise au point de vaccins plus sûrs et de nouveaux médicaments, les diagnostics moléculaires, les thérapies régénératives et le développement du génie génétique pour soigner les maladies par la manipulation génique.

Il y a eu une nette avancée dans ce domaine, la biotechnologie traditionnelle étant clairement différenciée du moderne. La biotechnologie traditionnelle utilisait des micro-organismes, tels que des bactéries, des levures et des moisissures, pour produire différents aliments, tels que du pain, du fromage, du vin ou de la bière. Aujourd'hui, au lieu de cela, elle utilise des microorganismes génétiquement modifiés, en utilisant des techniques d'ingénierie génétique.

Génie génétique

C'est une partie de la biotechnologie qui s'appuie sur la manipulation de gènes pour obtenir des substances spécifiques utilisables par l'homme. Il s'agit d'isoler le gène qui produit la substance et de l'introduire dans un autre être vivant plus simple et moins coûteux à manipuler ; ce qui est réalisé, c'est de modifier les caractéristiques héréditaires d'un organisme de manière dirigée par l'homme, en modifiant son matériel génétique.

Une des applications les plus prometteuses en médecine est la thérapie génique, qui permet de traiter les personnes atteintes de maladies génétiques. Grâce à ce type de traitement, les maladies dues à la présence d’un gène défectueux peuvent être guéries. La technique utilisée consiste à introduire le gène sain chez l'individu, puis ses cellules produisent la protéine dont elles ont besoin. Dans le domaine des nanotechnologies, il est possible d’accéder à de nouveaux traitements locaux qui n’affectent pas l’organisme tout entier, par exemple dans les greffes de moelle osseuse, la recherche sur les cellules souches.


La nanotechnologie

Un cheveu humain mesure
autour
 cent mille nanomètres
La nanotechnologie, terme qui a été mentionné pour la première fois en 1959 par Richard Feman, est une technologie qui étudie le tout petit, car elle fait référence aux sciences et aux techniques au niveau atomique et moléculaire, c'est-à-dire aux travaux à l'échelle nano-métrique.

Le terme nano signifie nain (du latin nanus). C'est une unité de mesure qui équivaut à un millionième. Un nanomètre équivaut à 1/1000 microns, soit environ 1/80000 du diamètre d'un cheveu humain.

Nano-robotique : petite science

La nano-robotique est le domaine de la nanotechnologie chargé d'étudier la robotique à l'échelle nano-métrique ; mais non seulement les robots dont les dimensions sont nano-métriques sont étudiés, mais également les gros robots capables de manipuler des objets de dimensions nano-métriques. La nano-robotique est un domaine multidisciplinaire dans la mesure où il fait appel à la chimie, à l'informatique, à l'ingénierie, à la biologie et à d'autres sciences connexes, afin de contrôler ou de modifier les propriétés ou la forme et la taille des nano-objets et des nano-structures.

Les nano-robots sont des systèmes intelligents de dimensions nano-métriques allant de 1 à 100nm, ils sont conçus pour effectuer des tâches spécifiques. Cette discipline travaille sur la conception d’une armée d’appareils d’un millionième de millimètre.

Applications des nano-robots

Il y a plusieurs applications dans des domaines tels que l’ingénierie spatiale, la biologie, l’industrie manufacturière, la médecine.

Dans le domaine de la médecine

Les nano-robots médicaux sont des dispositifs de dimensions nano-métriques développés pour être utilisés dans diverses branches de la médecine. Ils sont constitués de nano-composants, conçus pour permettre de nouvelles méthodologies en matière de diagnostic, de traitements médicaux et de chirurgie peu invasive.

Les nano-robots sont développés dans le but de pouvoir diagnostiquer, surveiller et traiter des maladies dans des parties spécifiques du corps. En outre, ils peuvent effectuer des tâches prédéfinies dans certaines procédures médicales.

La nano-robotique médicale comporte de grands défis pour sa construction, mais elle apporterait de grands avantages pour le traitement des maladies grâce au fait qu'elle fonctionne au niveau atomique, en traitant le problème depuis la cellule ou à des endroits spécifiques du corps. Les dispositifs seraient essentiellement conçus pour reconnaître les agents pathogènes à l'aide de leurs nano-capteurs afin de collecter des informations et aider à diagnostiquer les maladies. Ils pourraient également fournir des médicaments d'une manière très précise, facilitant le traitement de différentes maladies.

Nano-robots naviguant avec bio-capteurs

Les nano-robots pourraient être introduits dans notre corps par le système vasculaire ou par d'autres cavités et voyager librement dans le corps humain. La portée de cette technologie pourrait atteindre le point où les nano-robots ont la capacité de prendre leurs propres décisions sans avoir besoin d'aucun élément externe, donc d'adapter et de traiter tout problème de santé des personnes.

Des centres spécialisés, des universités et des instituts de recherche du monde entier investissent massivement dans la nano-robotique, ce qui a permis de développer des travaux qui confirment les possibilités futures de cette discipline.

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Des nano-robots pour voyager dans le cerveau

Des scientifiques de l'Université de Montréal au Canada, selon un article publié dans ScienceDirect en mars 2015, ont mis au point un groupe “d'agents nano-robotiques” capables de pénétrer la barrière hémato-encéphalique et de voyager profondément dans le cerveau, dans le but de libérer des molécules thérapeutiques, par exemple, pour le traitement des tumeurs.

La barrière hémato-encéphalique est une formation dense de cellules endothéliales et gliales entre les vaisseaux sanguins et le système nerveux central qui protège le cerveau, empêchant ainsi le passage de nombreuses substances toxiques, tout en permettant le passage des nutriments et de l'oxygène. Cependant, cela empêche également environ 98% des molécules thérapeutiques d'atteindre le cerveau.

Si cette barrière n'existait pas, de nombreuses substances nocives atteindraient le cerveau, ce qui en altérerait le fonctionnement et rendrait l'organisme non-viable.

Dans le cas de ces agents nano-robotiques, leurs nanoparticules sont exposées à la radiofréquence, ce qui provoque une augmentation de leur température, ce qui entraîne une dissipation thermique.

Cette chaleur génère un stress mécanique sur la barrière hémato-encéphalique, qui provoque son ouverture temporaire  pendant environ deux heures , ce qui permet une ouverture temporaire et localisée de la barrière pour la diffusion d'agents thérapeutiques dans le cerveau.

Les progrès sont importants car, à présent, ce point ne peut être atteint que par la chirurgie. Mais parfois, cela ne suffit pas non plus, car certains types de tumeurs se trouvent dans le tronc cérébral, entre les nerfs, ce qui rend impossible leur atteinte.

Bien que de nombreux obstacles restent à surmonter avant de pouvoir utiliser cette technologie pour le traitement des êtres humains, l’équipe de recherche est optimiste : bien que leurs résultats actuels soient prometteurs à un stade précoce, ils sont en voie de réaliser l’objectif de développement d’un mécanisme d'administration locale de médicaments capables de traiter les troubles oncologiques, psychiatriques, neurologiques et neuro-dégénératifs, entre autres.


Des micro-robots à l’assaut des tumeurs cérébrales

Deux équipes de chercheurs du Centre de recherche Inserm de l'Université d'Angers et de l'Institut national des sciences appliquées (INSA) Centre-Val de Loire, coordonnent un projet  sélectionné en octobre 2018 pour recevoir des fonds du Plan de lutte contre le cancer de l’Inserm pour trois années  et vont associer leurs savoir-faire afin de développer une solution thérapeutique innovante contre le glioblastome multiforme.

Le glioblastome multiforme est un cancer du cerveau très agressif dont on ne peut véritablement guérir à l’heure actuelle. Mais demain, il sera peut-être soigné par des nanoparticules magnétiques dirigées à distance pour le détruire de l’intérieur.

Les micro-robots, une fois injectés dans le sang, sont téléguidés vers le cerveau pour atteindre une tumeur cérébrale. Ils pénètrent alors dans les cellules cancéreuses et y déposent un traitement qui les détruit de l’intérieur.

L’origine de ce projet ambitieux remonte aux travaux de l’équipe Inserm sur des éléments essentiels du cytosquelette des neurones : les neurofilaments. Ces chercheurs ont notamment mis en évidence qu’un constituant de certains neurofilaments, un peptide composé d’une quinzaine d’acides aminés, pénètre les cellules de glioblastome in vitro mais aussi in vivo dans des modèles expérimentaux de ce cancer du cerveau. Ce peptide s’introduit dans les cellules cancéreuses mais il ne pénètre pas dans les neurones sains.

Le peptide (en vert) dans la cellule de glioblastome (au centre)
 provoque une destruction du réseau de micro-tubules (en rouge)

Les chercheurs ont eu l’idée de l’utiliser pour injecter des produits anticancéreux spécifiquement dans les cellules de glioblastome et ainsi épargner les tissus non touchés. Dans ce but, les chercheurs ont développé des nano-capsules.

Ces sortes de gélule de taille nano-métrique  soit mille fois plus petites que l’épaisseur d’un cheveu  sont composées d’une enveloppe de lipides qui renferment des substances thérapeutiques. L’ajout du peptide à leur surface leur permet de pénétrer plus facilement les cellules du glioblastome. Des travaux sur des souris modèles de ce type de cancer ont d’ailleurs confirmé que lorsque ces nano-capsules présentent ce peptide à leur surface, un plus grand nombre d’entre elles pénètrent les cellules cancéreuses, ce qui réduit d’autant plus la taille des tumeurs de ces rongeurs.

L’équipe cherche à conférer des propriétés magnétiques aux nano-capsules qu’ils ont développées pour qu’elles puissent être téléguidées dans la circulation sanguine. Ce qui peut être fait en intégrant par exemple au cœur de celles-ci de la magnétite, un oxyde de fer naturellement aimanté.


Électroaimants utilisés pour téléguider les
 
particules magnétisées dans les modèles
 
expérimentaux du laboratoire de l’INSA

En parallèle, une équipe de l’INSA Centre-Val de Loire de Tours développe un autre type de nanoparticules à base de silicium poreux, un élément bio-compatible qui se dissout lentement dans l’organisme. Le silicium présente l’avantage d’être photo-luminescent, ce qui permet de le localiser dans les tissus par une méthode non invasive. Et à l’image des nano-capsules lipidiques, leurs propriétés magnétiques peuvent être ajustées grâce à des particules de fer.

Grâce à ces études sur des modèles expérimentaux, les chercheurs sauront prochainement si ces micro-robots pourront remplir pleinement leur mission. Dans ce cas, le degré de toxicité du peptide devra alors être établi avant d’envisager des essais cliniques. D’ici trois années, ils pensent apporter leur contribution au combat contre ce cancer. Mais pas seulement. Car si ce concept fait ses preuves, ils pourront trouver de nombreuses applications en médecine, par exemple dans la lutte contre la maladie d’Alzheimer ou dans la prise en charge des accidents vasculaires cérébraux (AVC).


Un robot à ADN commande des molécules 'pas à pas'

Les ingénieurs du California Institute of Technology (Caltech) ont créé un nano-robot à ADN doté d'une main pour prélever des molécules et de deux pieds pour les emmener à l'endroit souhaité. Les détails du système, qui pourrait à l'avenir être utilisé pour assembler des composés chimiques ou réorganiser des nanoparticules dans des circuits, ont été publiés dans la revue Science de septembre 2017.

Le nano-robot est fabriqué avec une seule chaîne d'ADN et peut ‘marcher’ de manière autonome, en collectant des molécules dans une zone d'une surface et en les plaçant dans une autre. Pour le moment, il est un peu lent, puisqu'il faut cinq minutes pour faire un petit pas de 6 nanomètres, mais ses créateurs espèrent accélérer ce nouveau système, qui pourrait un jour fonctionner à l'intérieur du corps humain.

Les chercheurs aimeraient envoyer ces robots moléculaires dans de minuscules endroits où les humains ne peuvent pas voyager, comme le sang. Plus précisément, leur objectif était de concevoir et de construire ce nano-robot afin d’exécuter une tâche sophistiquée : la commande d’une cargaison  des molécules dans ce cas .

Pour assembler le robot à ADN, les chercheurs ont construit trois pièces : une sorte de "jambe" avec deux "pieds" pour marcher, un "bras" avec une "main" pour soulever la charge et un troisième segment reconnaissant un point spécifique où la laisser, en demandant à la “main” de la relâcher. Chacun de ces composants est constitué de quelques nucléotides dans un seul brin d’ADN.

En principe, ces blocs de construction modulaires pourraient être assemblés de différentes manières pour effectuer différentes tâches. Par exemple, un robot à ADN à plusieurs bras et mains pourrait être utilisé pour transporter plusieurs molécules à la fois.

Mais, pour le moment, les auteurs ont fabriqué un nano-robot qui explore une surface moléculaire dans laquelle il peut collecter deux types de molécules : un colorant jaune fluorescent et un rose  également fluorescent , puis les répartir dans deux régions différentes.

L'utilisation de molécules fluorescentes a permis aux auteurs de vérifier que les molécules finissaient chacune à sa place. Le robot a commandé avec succès six molécules dispersées (trois roses et trois jaunes) dans leurs zones correctes en 24 heures. Si plus de robots étaient mis à la surface, le temps serait raccourci et la tâche serait terminée plus tôt. Globalement, la probabilité que chaque robot ait livré le chargement avec succès était d'environ 80%.

Nano-board

D'autre part, en utilisant les mêmes principes physico-chimiques, l'équipe a conçu non seulement des robots, mais également des "terrains de jeu" moléculaires pour les tester. Dans cette étude, ils ont travaillé avec une planche carrée de 58 nanomètres sur le côté, dans laquelle, comme s'il s'agissait de chevilles, des brins individuels d'ADN complémentaires de ceux de la jambe et du pied du robot ont été insérés.

Cela est joint à une "cheville" avec sa jambe et un de ses pieds. L'autre pied flotte librement et lorsque des fluctuations moléculaires aléatoires font que ce pied libre trouve une cheville à proximité, il tire le robot vers lui et l'autre pied est libéré. Ce processus se poursuit avec le robot se déplaçant dans une direction aléatoire à chaque étape.


Dans l'image : un robot à ADN classifiant deux types de charges (à gauche) et une paire de robots à ADN collectant des molécules fluorescentes et les plaçant sur un autre côté en fonction de leur couleur (à droite).

Cela peut prendre une journée entière au robot pour explorer toute la planche. En cours de route, lorsque des molécules de charge sont attachées aux chevilles, il les saisit avec la main et les porte jusqu'à ce qu'il détecte le signal du point de descente. Le processus est lent, mais il permet une conception très simple de nano-machines avec une consommation d'énergie chimique très faible.

D'autres chercheurs devraient utiliser ces principes pour des applications intéressantes, telles que l'utilisation d'un robot à ADN pour synthétiser un produit chimique thérapeutique à partir de ses composants dans une usine de fabrication de molécules artificielles, l'administration d'un médicament uniquement lorsqu'un signal spécifique est activé dans la cellule ou flux sanguin, ou même de classer les composants moléculaires jetables pour les recycler.


Les nano-robots peuvent voyager à l'intérieur du corps humain

Des chercheurs de l'EPFL et de l'ETH Zurich ont réussi à développer des nano-robots offrant l'incroyable qualité de pouvoir transformer leur propre forme afin de s'adapter aux situations et à l'environnement. Autrement dit, si ces robots doivent opter pour une forme en spirale dans une certaine partie de notre circulation sanguine, ils peuvent le faire sans problème.


La composition de ces robots le permet. Les micro-robots sont constitués de couches d'hydrogel bio-compatible pliées comme l'origami (technique de pliage du papier), stratégie qui, en plus d'avoir été vue auparavant dans le monde de la bio-robotique, est souvent utilisée dans la robotique généralisée. Les minuscules particules magnétiques sont noyées dans le matériau et peuvent donc être expulsées de l'extérieur du corps par le biais d'un champ électromagnétique variable.

Ces robots changent de forme en fonction de l'environnement dans lequel ils se trouvent ; ils peuvent être pliés et déployés à volonté, de manière à pouvoir exercer leurs fonctions plus efficacement. L'un des exemples découverts par les chercheurs a clairement montré que pour naviguer dans un liquide à faible viscosité, la forme idéale était celle d'un corps en forme de tube et d'une queue plate. Si le liquide est plus visqueux, l’idéal est que la forme du corps soit en hélice. Pour permettre au robot de passer d’une forme à l’autre, l’équipe l’a conçu pour s’activer avec une concentration plus élevée de saccharose.

Les robots ont une composition et une structure spéciales qui leur permettent de s’adapter aux caractéristiques du fluide dans lequel ils se déplacent. Par exemple, s’ils constatent un changement de viscosité ou de concentration osmotique, ils modifient leur forme pour conserver leur vitesse et leur maniabilité sans perdre le contrôle de la direction du mouvement.

Pour tester les environnements dans lesquels les nano-robots devaient se déplacer, les chercheurs ont soumis les dispositifs en les faisant passer à travers de minces tubes en verre conçus pour imiter les vaisseaux sanguins, où ils nageaient dans des fluides de différentes viscosités qui s'écoulaient à des vitesses différentes.

Cette réalisation est très importante pour diverses raisons. Pour commencer, l'offre de médicaments s'améliorerait grandement en raison de la possibilité que ces robots atteignent toutes les parties de notre anatomie. Même dans un avenir très lointain, ils pourraient pratiquer des chirurgies invasives. Une avancée qui pourrait éventuellement jeter de nouvelles bases dans l'industrie des bio-robotiques.


Médicaments intelligents : voyage dans le corps humain

Dans le domaine médical, les nanotechnologies ont permis la soi-disant libération contrôlée de médicaments. Ainsi, le principe actif recherché pour atteindre une région du corps rejoint un dispositif de taille nano-métrique qui le dirige au bon endroit. Cela augmente son efficacité et prévient les effets secondaires dans d'autres parties du corps.

Les nano-tubes de carbone sont
utilisés comme véhicules
 dans
 les médicaments intelligents
Toutefois, ce "nano-véhicule" doit répondre à plusieurs exigences, telles que la résistance aux milieux biologiques, une vie moyenne relativement élevée et, bien entendu, le manque de toxicité.

Quand cela fonctionne, le tandem sophistiqué  substance active du médicament et du véhicule qui le transporte est capable de traverser les capillaires, les pores et les membranes cellulaires. En d’autres termes, les médicaments intelligents fonctionnent comme un missile qui capte la chaleur jusqu’à ce qu’elle atteigne sa cible. Dans ce cas, le médicament se déplace dans le sang ou à l'intérieur des cellules jusqu'à ce qu'il atteigne sa destination et libère totalement ou partiellement son principe actif.

Nano-véhicule
Pour cela, on utilise des nano-transporteurs tels que les dendrimères  des molécules artificielles encapsulant un médicament  ou des nano-tubes de carbone  de minuscules conduits de feuilles d'atomes de carbone laminées à travers lesquelles le médicament circule . Ces “véhicules” incorporent des substances, par exemple des protéines, qui reconnaissent d'autres protéines spécifiques de la cellule ou du tissu malade. Dans d'autres cas, si le nano-transporteur est magnétique, il peut être guidé vers la zone touchée par des champs magnétiques externes, tout comme nous déplaçons un clip sur une surface de papier avec un aimant.

Bien que cette stratégie ressemble à de la science-fiction, environ 200 médicaments utilisant divers types de véhicules nano-métriques pour administration orale, intraveineuse, inhalée ou topique sont déjà commercialisés.

Il existe d'autres propositions telles que les thérapies thermiques à base de nanoparticules ou la médecine régénérative à partir de nouveaux biomatériaux.


Des nanomètres pour peser les virus et les bactéries dans la détection des maladies

Chaque virus et chaque bactérie a une masse différente. Le simple fait de pouvoir les peser nous permettrait de les identifier et de les distinguer et, ainsi, de détecter très tôt les maladies qu’ils causent. Les progrès récents en nanotechnologie ont permis la création de nouveaux dispositifs, des capteurs nano-mécaniques, qui agissent comme des échelles à l'échelle nano-métrique, permettant de détecter ces objets avec une précision bien supérieure aux méthodes classiques de diagnostic de ces maladies.

La détection de ces particules par des capteurs nano-mécaniques est obtenue en étudiant l'évolution de leurs vibrations. Ces capteurs vibrent comme les cordes d'une guitare : lorsque l'on appuie sur une corde d'une guitare, celle-ci vibre et les ondes sont transmises dans l'air, ce que nous percevons comme un son. De plus, si nous attachons un objet à la corde, elle pèsera davantage et, par conséquent, son mouvement sera plus lent, ce qui conduira à un son plus grave. Cette différence dans le ton du son peut être directement liée à la masse de l'objet attaché.

De la même manière, les capteurs nano-mécaniques vibrent plus lentement lorsqu'une particule (virus ou bactérie) leur est attachée. Ceci est facilement vérifié en collant un petit aimant sur un diapason. Cependant, dans ces capteurs, les vibrations ne sont pas perceptibles à l'oreille et des méthodes optiques très sophistiquées sont nécessaires similaires à celles utilisées pour la détection des ondes gravitationnelles, mais à une échelle nano-métrique  pour détecter ces modifications de la vibration du capteur.

Ces dispositifs permettent également de mesurer une autre propriété très intéressante des particules déposées : la rigidité. Connaître la rigidité des particules biologiques (virus, bactéries ou cellules) peut s'avérer très utile, car d'une part, la rigidité associée à la masse permet une identification encore plus précise des différents virus ou bactéries. Cela pourrait également permettre de différencier les cellules saines des cellules cancéreuses, car il a été constaté que bien que les deux aient une masse similaire  ce qui ne leur permet pas de se distinguer par leur masse  elles présentent une rigidité différente : les cellules cancéreuses sont moins rigides que les cellules saines. Enfin, la mesure de la rigidité des virus permet de distinguer leur état de maturation et de connaître leur capacité infectieuse.

Dans un avenir pas si lointain, ce type de capteurs sera implanté directement dans notre corps, prêt à détecter toute infection en même temps qu’il le contractera, ce qui lui permettra d’agir contre elle beaucoup plus efficacement.


Comment installer des micro-laboratoires à l'intérieur de cellules vivantes

Un groupe de chercheurs du Centre de recherche biologique (CSIC), en Espagne, dont les résultats ont été publiés dans le magazine Small en 2010, a montré dans une série d'expériences que la technologie actuelle permet déjà de créer des puces de silicium, plus petites que les cellules vivantes, les introduire à leur intérieur et interagir avec elles.

Le développement de techniques et d'instruments de laboratoire pour analyser le fonctionnement des cellules et des tissus a évolué à une vitesse vertigineuse au cours des 50 dernières années. Ainsi, nous avons appris comment fonctionnent les cellules et comment elles se détériorent avec la maladie ou avec l’âge.

Micro-puces à l'intérieur
de cellules humaines
Au cours des dernières années, des scientifiques et des technologues de divers domaines  physiciens, chimistes, biologistes, médecins, ingénieurs...  se sont unis pour atteindre un objectif commun : intégrer des équipements de laboratoire dans la cellule vivante et effectuer ainsi l'analyse des processus qui ont lieu au fil du temps dans la même cellule.

Les chercheurs ont mis au point des micro-puces en silicium, telles que celles sur ordinateur, conçues et structurées avec précision pour inclure, par exemple, des dispositifs mécaniques qui répondent à différentes forces ou stimuli. Ou déposer sur eux, de manière ordonnée, différentes molécules chimiques qui agissent comme capteurs, pouvant réagir avec d'autres molécules présentes dans la cellule et fournir des informations.

Le prochain défi a été de prendre ces micro-équipements, 20 à 50 fois plus petits que l'épaisseur d'un cheveu, dans des cellules vivantes, sans impliquer la mort de la cellule ou en altérant son fonctionnement normal.

Jusqu'à présent, cela n'a été réalisé que par des expériences avec des cellules sur plaque de culture et au microscope. Cependant, son application en médecine pourrait être possible dans les années à venir, au fur et à mesure de l'évolution des appareils capables de lire les informations qu'ils fournissent lors de leur introduction dans le corps humain.

Les prochaines années verront le développement de ces micro-puces nano-structurées parallèlement aux instruments de détection, de sorte qu'il sera possible d'insérer un réseau de puces capables de détecter, par exemple, l'apparition du glaucome dans l'œil bien avant la perte de cellules rétiniennes ; ou introduire, dans une tumeur inopérable, des puces nous informant en temps réel de l'efficacité du traitement appliqué.

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Dangers et risques de la Nanotechnologie

Malgré les progrès que la Nanotechnologie apporte à notre vie, elle présente également d'énormes dangers pour les êtres vivants. Les industriels travaillant à partir de ces nouvelles technologies sont les premiers touchés. Ces dernières vont affecter dans les années à venir beaucoup plus de personnes, car la nanotechnologie est une science du futur : tout le monde aura la possibilité de l'exploiter. Les conséquences de ces nouvelles technologies mettent en place de nombreux débats où divers avis s'opposent entre progrès et environnement.
Ce schéma d'une partie du corps humain présente
 les principales zones d'accès aux nanoparticules

Les principales entrées dans le corps d'un être humain sont la peau, les voies respiratoires (donc les alvéoles pulmonaires) ainsi que les organes irrigués comme le foie, les reins, etc. Et pour les nanoparticules les plus petites, de l'ordre de 1nm, elles peuvent passer les barrières naturelles du cerveau et ainsi atteindre différentes zones de ce dernier. Chez des femmes enceintes, les nanotechnologies peuvent atteindre la zone placentaire et ainsi avoir des conséquences sur le fœtus.

Cette nouvelle technologie pourra aider dans le domaine médical mais il faudra que celle-ci soit parfaitement maîtrisée pour éviter tout type d'accident comme un non contrôle de ces robots dans le cerveau qui pourraient faire d'énormes dégâts.

D'autres études ont été faites pour établir les risques que présente cette nouveauté, par exemple avec l'inhalation de nano-tube de carbone (ces nano-tubes se définissent comme étant un filament présentant une résistance 100 fois supérieure à celle de l'acier, et cela avec une résistance peu commune aux hautes températures). L'AFSSET (L'Agence Française de Sécurité Sanitaire de l'Environnement et du Travail) a démontré que l’inhalation de nano-tubes de carbone supprimait certaines fonctions immunitaires chez des souris. Pendant quatorze jours, à mesure de six heures par jour, des souris ont été respectivement exposées à des concentrations de nano-tubes de carbone de 1 mg/m3.

Ces individus soumis à cette dose ont présenté une perte de leurs défenses immunitaires. Même si le système immunitaire de l'homme est certainement plus résistant, on déduit que le système immunitaire peut être plus résistant. Mais si le nano-tube de carbone se’ dégrade il pourra ainsi laisser passer plusieurs sortes de virus, infections, etc.

Il serait important de développer parallèlement à ces nanotechnologies des systèmes de contrôle afin d'en garder la maîtrise. C'est également le sujet de nombreux débats aujourd’hui.

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