Du stéthoscope original, inventé il y a plus de 200 ans, au gazouillis fugace des ondes gravitationnelles, le son s'est répercuté dans l'histoire des avancées technologiques et scientifiques.

Aujourd'hui, le rôle du son dans la science s'étend au-delà de la gamme des fréquences audibles : Les ultrasons et autres ondes acoustiques silencieuses ont fait leur entrée dans le répertoire des chercheurs, les aidant à repousser les limites de la médecine et de la recherche conventionnelles. 

Dans les exemples de quatre laboratoires de Stanford, les scientifiques étudient tout le spectre, exploitant les nuances du bruit et la puissance de l'acoustique pour générer des technologies inventives, voire inattendues, qui montrent à quel point la combinaison du son et de la science peut être puissante.

Transformer le désagrément en avantage

Rien ne provoque l'irritation de la même manière qu'un moustique. Mais son bourdonnement aigu pourrait en fait contribuer à réduire les pics de population des moustiques et, surtout, les maladies qu'ils transmettent aux humains. C'est du moins le principe qui sous-tend l'application Abuzz, récemment lancée par Manu Prakash.

Prakash, PhD, professeur adjoint de bio-ingénierie, a créé Abuzz pour identifier et étiqueter numériquement les espèces de moustiques à partir de leurs ronflements. Sa vision : construire un "paysage sonore" qui permette de cartographier l'emplacement de ces vecteurs voraces dans le monde et de fournir des détails sur les maladies qu'ils peuvent véhiculer - Zika, malaria, dengue et autres. L'objectif peut sembler ambitieux, mais Prakash affirme que tout ce dont il a besoin, c'est d'une base d'utilisateurs avides ayant accès à des téléphones portables (les téléphones "muets", comme les téléphones à clapet, font l'affaire).

"Notre objectif est de mettre les données entre les mains des habitants et des organisations de santé publique qui se concentrent sur l'élimination des maladies causées par les moustiques", explique Prakash. "Nous voulons que cela fournisse des détails sur l'écologie des moustiques - les espèces, les maladies associées, l'emplacement de l'enregistrement - afin que cela puisse être un système mondial de sensibilisation et d'alerte pour les moustiques porteurs de maladies."

Naturellement, l'élaboration d'une telle carte prendra du temps et nécessitera de nombreux utilisateurs. Alors comment collecter autant de données dans les coins les plus reculés du globe ? Selon M. Prakash, le recrutement et une simple session de formation qui consiste en quatre étapes de base : sortir, s'approcher d'un moustique (ou le laisser s'approcher de vous), enregistrer son bourdonnement et envoyer les données à Abuzz pour analyse.

    "Ce qui est bien avec Abuzz, c'est qu'il ne se limite pas aux moustiques. Pour l'instant, nous cherchons à savoir si nous pouvons utiliser cette méthode pour identifier les abeilles domestiques malades ou en bonne santé."

Abuzz - l'application Shazam du monde des insectes - utilise un logiciel pour déterminer si le bruit enregistré est vraiment un moustique, et non une mouche domestique, un jet lointain ou un autre imposteur. Ensuite, il compare l'enregistrement avec une base de données de différents bourdonnements de moustiques et essaie de trouver une correspondance. Cela est possible car chaque espèce de moustique émet un son unique, généré par le battement de ses ailes.

Idéalement, le fait de connaître les régions géographiques où des espèces spécifiques de moustiques sont enregistrées peut aider à lutter contre la multiplication indésirable. "Les habitants pourraient rechercher dans leur voisinage les zones susceptibles de pondre des moustiques et éliminer les larves", suggère M. Prakash.

Ou, à plus grande échelle, les agences qui tentent d'entraver les populations en libérant des moustiques génétiquement modifiés pourraient utiliser ces informations pour cibler plus précisément les régions et les espèces. (Libérer une armée de moustiques dans l'éther peut sembler assez vilain, mais les modifications génétiques de ces moustiques rendent leur progéniture non viable, ce qui contribue à freiner une population en expansion).

"Ce qu'il y a de bien avec Abuzz, c'est qu'il ne se limite pas aux moustiques", explique Prakash. "Actuellement, nous cherchons à savoir si nous pouvons utiliser cette méthode pour distinguer les abeilles domestiques malades des abeilles saines." Ils n'ont pas la réponse, mais comme la santé des abeilles domestiques aux États-Unis continue de décliner, Prakash et son équipe espèrent que leur plateforme pourra aider à révéler la biologie derrière plus d'un insecte volant.

Des signaux acoustiques dirigent les cellules cardiaques à travers un gel pour former une série de motifs précis. Vidéo reproduite avec l'aimable autorisation de Sean Wu et Utkan Demirci.

Chorégraphie acoustique

Les cellules cardiaques sont parmi les plus denses du corps humain : environ 100 millions d'entre elles tiennent dans un espace de la taille d'un morceau de sucre. Cette structure compacte rapproche tellement les cellules qu'elles peuvent communiquer entre elles et battre comme un seul homme. Pour les ingénieurs tissulaires, cependant, cela pose un problème délicat : si les cellules sont trop serrées, certaines ne recevront pas les nutriments nécessaires ; si elles sont trop lâches, elles ne pourront pas coordonner leurs battements.

Le cardiologue Sean Wu, MD, PhD, étudiait ce problème lorsqu'il a rencontré Utkan Demirci, PhD, bioingénieur acoustique et professeur de radiologie. "Utkan a émis l'idée que nous pourrions utiliser l'acoustique pour regrouper les cellules de manière très dense tout en conservant la possibilité de contrôler et d'ajuster leur organisation - et cela nous a vraiment enthousiasmés", a déclaré Wu, professeur associé de médecine.

L'idée de Demirci exploite un type de signal acoustique qui crée des ondes de Faraday, résultant d'une perturbation physique à l'interface du liquide et de l'air (si vous avez déjà volé dans un avion turbulent avec une boisson, vous avez été témoin d'ondes de Faraday dans votre tasse). Les ondes provoquent des ondulations dans le liquide, et tout ce qui flotte dans le liquide s'agite également.

"Vous pouvez déclencher ces ondulations à l'échelle microscopique", explique Demirci. "Comme lorsque les marées de l'océan ramènent sur le rivage les trésors d'un navire coulé, nous faisons en quelque sorte la même chose avec les cellules cardiaques." La grande différence, cependant, est que Demirci et Wu peuvent contrôler la "houle" en réglant un bouton qui modifie les vagues.

Une collection d'images de cellules : cardiaques.Utkan Demirci et Sean Wu utilisent l'acoustique pour manipuler les cellules cardiaques selon des motifs complexes. Un simple changement de fréquence et d'amplitude met les cellules en mouvement, les guide vers une nouvelle position et les maintient en place.

Wu et Demirci peuvent ensuite donner aux cellules cardiaques la forme qu'ils souhaitent. "Vous pouvez créer des triangles, des formes hexagonales, des cercles, des lignes - vous pouvez même créer une petite forme humaine", explique Demirci.

"Et, ajoute Wu, si vous n'aimez pas le motif, pour quelque raison que ce soit, vous pouvez le modifier, littéralement, en cinq ou six secondes. Vous changez la fréquence et l'amplitude, et les cellules se déplacent vers un nouvel endroit, juste devant vos yeux."

Contrairement à d'autres tactiques d'ingénierie tissulaire, l'acoustique positionne les cellules cardiaques dans une configuration serrée qui ressemble de près au tissu cardiaque naturel, transformant le blob battant qui en résulte en quelque chose de précieux pour la médecine.

Wu et Demirci pensent que l'ingénierie acoustique pourrait contribuer à une modélisation plus réaliste des maladies cardiaques et au dépistage des médicaments. Plus loin, mais toujours à l'horizon, les deux chercheurs voient même dans le tissu qu'ils ont généré une option pour les greffes cardiaques chez les patients dont les parois cardiaques sont affaiblies ou qui ont subi des dommages à la suite d'une crise cardiaque.

Demirci et Wu prévoient ensuite d'ajouter la vascularisation - des conduits qui transportent le sang et l'oxygène vers les différentes parties d'un organe - pour rendre leur tissu cardiaque généré encore plus réaliste.

Une symphonie dans le cerveau

C'est en écoutant un quatuor à cordes jouer sur des enregistrements d'ondes plasmatiques captées dans l'espace et converties en sons que le neurologue Josef Parvizi, MD, PhD, a imaginé sa propre symphonie. S'il est possible de transformer les signaux de l'espace en son, peut-être pourrait-on aussi transformer les ondes cérébrales en son, a-t-il pensé.

Il a donc envoyé un courriel à Christopher Chafe, un compositeur spécialisé dans la conversion d'ensembles de données atypiques en musique, et lui a expliqué sa vision. Parvizi, professeur de neurologie, décrit ce qui s'est passé ensuite : "Un professeur de musique fou et un neurologue fou ont décidé de collaborer sur une idée étrange". Chafe est le directeur du Center for Computer Research in Music and Acoustics de Stanford. 

Après plusieurs années de perfectionnement, l'idée est devenue ce que M. Parvizi a appelé le stéthoscope du cerveau.

Cet instrument, non invasif et ressemblant à un bandeau, se fixe sur la tête d'une personne et écoute les signaux électriques du cerveau. En appuyant sur un bouton, ces signaux sont convertis en sons qui sortent d'un petit haut-parleur relié au bandeau. L'idée est que les médecins puissent "entendre" le ton du cerveau - notamment en cas de crise.

"Imaginez que vous ouvrez la fenêtre d'une chambre d'hôtel et que toute la ville scande exactement la même chose", dit Parvizi. "Vous ne savez peut-être pas exactement ce qui se passe, mais vous savez que ce n'est pas normal. C'est la même chose pour le cerveau : il ne faut pas que les signaux soient trop synchronisés. S'ils le sont, le cerveau est en train de faire une crise." Il s'avère que la différence audible entre un cerveau en crise et un cerveau normal est très nette ; presque tout le monde peut l'entendre.

    "Vous voulez que les mères et les pères soient capables de savoir si leur enfant fait une crise afin qu'ils cherchent à obtenir une attention professionnelle."

Bien sûr, reconnaît M. Parvizi, si quelqu'un convulse et tremble, vous n'avez pas besoin d'un stéthoscope pour savoir qu'il fait une crise. "Mais il existe des "crises subcliniques non convulsives", qui ne présentent pas de symptômes physiques évidents."

Mais elles ont quand même des symptômes subtils. La personne qui subit l'une de ces tempêtes silencieuses peut sembler désorientée et ne pas réagir, ou s'endormir soudainement. Aux yeux du public, ce type de crise passe plus souvent inaperçu, mais cela ne veut pas dire qu'elles sont moins menaçantes pour la santé. Selon M. Parvizi, il existe désormais un ensemble de preuves montrant que les crises silencieuses prolongées sont dommageables pour le cerveau, en particulier chez les enfants, dont le cerveau est encore en développement.

"À l'heure actuelle, les patients ont besoin d'un neurologue qualifié pour détecter une crise. C'est peut-être controversé, mais mon objectif est de permettre à n'importe qui de les détecter - toutes sortes de médecins, d'infirmières, de stagiaires en médecine."

Même les parents.

"Vous voulez que les mamans et les papas soient en mesure de savoir si leur enfant fait une crise afin qu'ils cherchent à obtenir une attention professionnelle", dit Parvizi.

En mai 2017, la FDA a donné le feu vert à l'invention de Parvizi, et il a depuis testé les capacités du stéthoscope dans plusieurs hôpitaux, obtenant des résultats encourageants.

"Cela pourrait changer radicalement les soins de santé en matière de surveillance des cerveaux".

Alimenter la médecine implantable

Placez deux grains de riz l'un à côté de l'autre et vous aurez à peu près la taille d'une puce médicale de nouvelle génération plutôt astucieuse, conçue par Amin Arbabian, PhD, professeur adjoint d'ingénierie électrique. Cette puce est un dispositif implantable, comme un pacemaker ou un stimulateur nerveux, mais elle se distingue par son mode d'alimentation - non pas par des piles ou des fils, mais par le son.

"C'est un défi de longue date que de fabriquer des dispositifs médicaux aussi petits que possible et fonctionnant en profondeur dans le corps", explique M. Arbabian. "Les ultrasons permettent cela".

L'utilisation à long terme des ultrasons dans l'imagerie fœtale leur a valu une réputation de sécurité et de fiabilité en médecine, ce qui en fait un candidat de choix pour alimenter une puce qui peut être intégrée dans le corps. Tout aussi importantes, les ondes sonores douces sont également polyvalentes. Couteau suisse des dispositifs implantables, la puce peut changer de fonction pour répondre à différents besoins biologiques. Ses différents modes sont contrôlés par la même chose qui l'alimente. "Les ultrasons sont à la fois une source d'énergie et un moyen de communiquer avec le dispositif", explique M. Arbabian.

Un minuscule module, appelé moissonneur, se trouve sur la puce et convertit les ondes ultrasonores en énergie électrique. En envoyant des impulsions d'ultrasons à la puce, M. Arbabian peut envoyer des commandes codées, comme en morse. "Nous pouvons, par exemple, lui ordonner de commencer à surveiller un certain paramètre, comme la pression artérielle, ou canaliser une impulsion électrique pour stimuler un nerf ou déclencher la libération précise d'un médicament à un endroit particulier."

    "Nous pourrions voir ce système fonctionner pour 
maintenir la pression artérielle, ou gérer 
l'incontinence urinaire ou le diabète."

L'objectif, dit-il, est de créer une puce "intelligente" active ou un réseau distribué de puces intelligentes pour non seulement exécuter des commandes spécifiques, mais aussi surveiller les paramètres physiologiques et transmettre des données utiles sur le patient. Ces informations, portant sur des éléments tels que le taux d'insuline ou la pression artérielle, sont envoyées à un dispositif externe, où les médecins peuvent y accéder. Dans cette optique, M. Arbabian et son équipe de laboratoire travaillent à la mise au point d'un système en boucle fermée dans lequel l'implant est autonome et peut fonctionner de manière transparente dans le corps, sans instructions constantes.

Dans un système en boucle fermée, les capteurs de la puce déclencheraient la libération d'une dose de son agent thérapeutique, qui pourrait être une impulsion électrique ou un médicament enfermé dans une chambre séparée de la puce. Chez les patients souffrant d'hypertension, par exemple, l'implant surveillerait les artères. Si la puce détecte une augmentation de la pression artérielle, elle administre un médicament pour aider à faire baisser la pression.

"Ce système pourrait servir à maintenir la pression artérielle, à gérer l'incontinence urinaire ou le diabète", explique M. Arbabian.

Lui et son équipe travaillent sur la prochaine génération de l'implant et s'associent à d'autres laboratoires pour tester leur dispositif sur des animaux. Ils ont même établi une collaboration de recherche avec la FDA, qui étudie les prototypes de manière indépendante.

"Il y a encore beaucoup de travail à faire", dit M. Arbabian. "Mais il y a beaucoup de raisons d'être optimiste".

Publié le 21 Mai 2018 par Hanae Armitage sur Stanford Medicine

Lien :
https://stanmed.stanford.edu/innovations-helping-harness-sound-acoustics-healing/

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