L'équipement d'acquisition EEG traditionnel est volumineux, repose sur un gel conducteur et est sensible aux interférences. Pour que la technologie d'interface cerveau-ordinateur (BCI) fasse véritablement partie de la vie quotidienne, les innovations doivent commencer dès le début. Récemment, une équipe dirigée par le chercheur Liu Ran et le professeur Gao Xiaorong de l'École de génie biomédical de l'Université Tsinghua a publié une réalisation importante dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces : ils ont développé une électrode à micro-aiguilles à base de MXène-qui permet non seulement une acquisition de signaux EEG de haute-qualité dans des environnements complexes, mais offre également les avantages d'être sans gel-, portable et hautement compatible. Cette nouvelle électrode ouvre la voie à la généralisation des appareils BCI.
Ⅰ. Un « patch cérébral » plus intelligent
Les appareils d'électroencéphalographie (EEG) traditionnels utilisent généralement des électrodes humides à base de gel-. Bien qu’ils offrent une qualité de signal stable, ils peuvent être difficiles à utiliser, provoquer des irritations cutanées et être sensibles aux interférences. Ces dernières années, les électrodes sèches sont apparues comme une alternative, mais équilibrer confort, qualité du signal et facilité de port reste un défi persistant en science des matériaux et en neuro-ingénierie.
Cette équipe de recherche a utilisé du MXène (un type de matériau carboné bidimensionnel) comme noyau conducteur et l'a combiné avec une structure de micro-aiguilles pour concevoir une électrode EEG sèche mesurant seulement 1 millimètre carré. Le MXene a récemment attiré l'attention pour son excellente conductivité, sa flexibilité et sa biocompatibilité. Le réseau de micro-aiguilles permet à l'électrode de « pénétrer facilement » dans la couche superficielle de la peau, la couche cornée, éliminant ainsi le besoin de rasage ou d'application de gel, et permettant l'acquisition de signaux EEG à faible -impédance et à -signal-à-rapport de bruit élevé. Cette structure améliore non seulement considérablement la stabilité du contact entre l’électrode et le cuir chevelu, mais offre également des avantages tels que la résistance au mouvement, à la transpiration et la réutilisation.
Ⅱ. Traitement et tests : non seulement léger, mais également compatible avec les applications IRM et ferroviaires à grande vitesse.
Pour vérifier les performances globales de l'électrode, les chercheurs ont mené des tests expérimentaux sur plusieurs dimensions, notamment les propriétés des matériaux, les performances d'acquisition des signaux physiologiques, la biocompatibilité et la compatibilité IRM.
Premièrement, dans la fabrication des électrodes, les chercheurs ont utilisé la technologie du micromoulage et du support d’hydrogel pour garantir que le réseau de micro-aiguilles conserve sa capacité de perforation tout en conservant une excellente flexibilité pour prévenir les dommages cutanés. La surface a été traitée avec un matériau MXene, permettant une épaisseur contrôlable de la couche conductrice, obtenant à la fois une stabilité structurelle et des capacités élevées de capture de signal.
Au cours de la phase de test du signal, l'équipe a appliqué l'électrode à un paradigme commun d'interface cerveau--ordinateur : le potentiel évoqué visuel en état d'équilibre (SSVEP). SSVEP est actuellement l'une des sources de signal les plus stables et les plus précises dans les BCI non-invasives et est largement utilisée dans des scénarios tels que la saisie orthographique et le contrôle des robots. Les résultats des tests ont montré que cette électrode à micro-aiguilles atteignait une précision comparable à celle des électrodes à gel traditionnelles dans l'acquisition du signal SSVEP, et qu'elle fonctionnait même de manière plus stable dans des environnements bruyants et avec un minimum de mouvements.
Notamment, l'équipe de recherche a également évalué la compatibilité de l'électrode avec l'imagerie par résonance magnétique (IRM), ne trouvant aucun artefact significatif ni échauffement anormal dans des champs magnétiques élevés, ce qui suggère son potentiel pour une utilisation future dans l'acquisition EEG synchronisée au cours de l'imagerie fonctionnelle cérébrale clinique. De plus, les tests de biocompatibilité ont démontré que le port prolongé n’induit pas d’inflammation ni de réactions cutanées, ce qui le rend adapté à une surveillance clinique quotidienne ou continue.
Ⅲ. Un nouveau départ vers des BCI « zéro-capteur »
La plus grande importance de cette recherche réside dans sa percée dans le compromis-entre confort et performances des électrodes EEG traditionnelles. En combinant la conductivité élevée des matériaux MXene avec les propriétés pénétrantes de la structure des micro-aiguilles, cette électrode permet une acquisition EEG de haute-qualité et à long-terme sans avoir besoin de gel, jetant ainsi les bases pour que les appareils BCI entrent véritablement dans l'ère du « portable ».
À l'avenir, nous prévoyons que ces électrodes à micro-aiguilles seront intégrées à des modules de communication sans fil, des amplificateurs miniaturisés et des puces d'IA de pointe pour créer un système informatique-prêt à l'emploi-cerveau-, intégré dans la vie quotidienne comme une montre intelligente. En outre, il peut également servir à un plus large éventail d’applications médicales, notamment la neurorééducation, l’alerte contre l’épilepsie et la surveillance du sommeil. Pour l'industrie des interfaces cerveau-machine, cela signifie que le "dernier kilomètre" entre le laboratoire et le marché est en train d'être franchi.