Ingénierie neuronale

L'ingénierie neuronale (également connue sous le nom de neuro-ingénierie ) est une discipline de l'ingénierie biomédicale qui utilise des techniques d'ingénierie pour comprendre, réparer, remplacer ou améliorer les systèmes neuronaux. Les ingénieurs neuronaux sont particulièrement qualifiés pour résoudre les problèmes de conception à l'interface des tissus neuronaux vivants et des constructions non vivantes.

Le domaine de l'ingénierie neuronale s'appuie sur les domaines des neurosciences computationnelles , des neurosciences expérimentales, de la neurologie , de l'ingénierie électrique et du traitement du signal des tissus neuronaux vivants, et englobe des éléments de la robotique , de la cybernétique , de l'ingénierie informatique , de l'ingénierie des tissus neuronaux , de la science des matériaux et de la nanotechnologie .

Les principaux objectifs dans ce domaine comprennent la restauration et l’augmentation des fonctions humaines via des interactions directes entre le système nerveux et les dispositifs artificiels .

De nombreuses recherches actuelles se concentrent sur la compréhension du codage et du traitement de l’information dans les systèmes sensoriels et moteurs , sur la quantification de la manière dont ce traitement est altéré dans l’ état pathologique et sur la manière dont il peut être manipulé par des interactions avec des dispositifs artificiels, notamment des interfaces cerveau-ordinateur et des neuroprothèses .

D’autres recherches se concentrent davantage sur l’investigation par l’expérimentation, notamment l’utilisation d’ implants neuronaux connectés à une technologie externe.

La neurohydrodynamique est une division de l'ingénierie neuronale qui se concentre sur l'hydrodynamique du système neurologique.

Les origines de l'ingénierie neuronale remontent au physicien et biologiste italien Luigi Galvani . Galvani, en collaboration avec des pionniers comme Emil du Bois-Reymond, a découvert que les signaux électriques dans les nerfs et les muscles contrôlent les mouvements, ce qui marque la première compréhension de la nature électrique du cerveau. L'ingénierie neuronale étant un domaine relativement nouveau, les informations et les recherches qui s'y rapportent sont relativement limitées, même si cela évolue rapidement. Français Les premières revues spécifiquement consacrées à l'ingénierie neuronale, The Journal of Neural Engineering et The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, ont toutes deux vu le jour en 2004. Des conférences internationales sur l'ingénierie neuronale ont été organisées par l'IEEE depuis 2003, du 29 avril au 2 mai 2009 à Antalya, en Turquie : la 4e conférence sur l'ingénierie neuronale, la 5e conférence internationale IEEE EMBS sur l'ingénierie neuronale en avril/mai 2011 à Cancún , au Mexique , et la 6e conférence à San Diego , en Californie , en novembre 2013. La 7e conférence a eu lieu en avril 2015 à Montpellier . La 8e conférence a eu lieu en mai 2017 à Shanghai . En 2003, l'une des conférences déterminantes de la conférence, donnée par le Dr Carol Lucas, alors directrice du programme biomédical de la National Science Foundation , a donné un aperçu de l'avenir de l'ingénierie neuronale et des initiatives en neurosciences. Sa conférence a porté sur plus de 200 articles couvrant un large éventail de sujets, notamment l'informatique neuronale, la dynamique comportementale et l'imagerie cérébrale. Il s'agissait du travail de base fondamental pour les recherches futures sur l'ingénierie neuronale. Une autre étape importante dans le développement de la neuro-ingénierie a été identifiée en 2024 en introduisant la notion de mode neurocognitif mère-fœtus. Parce qu'il explique les interactions non locales des biosystèmes, ce domaine de connaissances ouvre de nouveaux horizons pour l'application des méthodes d'ingénierie à la réparation, au remplacement et à l'amélioration des systèmes neuronaux. Ces connaissances offrent une nouvelle approche de l'interaction et de l'intégration non invasives cerveau-machine.

Les fondements de la neuro-ingénierie impliquent la relation entre les neurones, les réseaux neuronaux et les fonctions du système nerveux et des modèles quantifiables pour aider au développement de dispositifs capables d'interpréter et de contrôler les signaux et de produire des réponses ciblées. L'orientation essentielle du développement de ce domaine repose sur la conception de modèles conceptuels de représentations théoriques de biosystèmes entiers (ou de leurs parties fonctionnelles) observés dans la nature. En effet, l'intégration des machines au système nerveux est le défi central de cette étape de la révolution technologique. Les progrès dans ces efforts nous permettent de surveiller et/ou de moduler l'activité neuronale. Par exemple, parce que les interactions mère-fœtus permettent au système nerveux de l'enfant d'évoluer avec une sensibilité biologique adéquate et fournissent les premières réalisations dans le développement cognitif, l'étude du modèle neurocognitif mère-fœtus ouvre la voie à la conception d'une gestion informatique non invasive par le cerveau et de dispositifs médicaux pour le traitement non invasif des systèmes nerveux lésés

Les messages que le corps utilise pour influencer les pensées, les sens, les mouvements et la survie sont dirigés par des impulsions nerveuses transmises à travers le tissu cérébral et au reste du corps. Les neurones sont l'unité fonctionnelle de base du système nerveux et sont des cellules hautement spécialisées capables d'envoyer ces signaux qui font fonctionner des fonctions de haut et de bas niveau nécessaires à la survie et à la qualité de vie. Les neurones ont des propriétés électrochimiques spéciales qui leur permettent de traiter l'information et de la transmettre ensuite à d'autres cellules. L'activité neuronale dépend du potentiel de la membrane neuronale et des changements qui se produisent le long et à travers elle. Une tension constante, connue sous le nom de potentiel de membrane , est normalement maintenue par certaines concentrations d'ions spécifiques à travers les membranes neuronales. Les perturbations ou les variations de cette tension créent un déséquilibre, ou polarisation, à travers la membrane. La dépolarisation de la membrane au-delà de son potentiel seuil génère un potentiel d'action, qui est la principale source de transmission du signal, connue sous le nom de neurotransmission du système nerveux. Un potentiel d'action entraîne une cascade de flux ionique vers le bas et à travers une membrane axonale, créant une chaîne de pics de tension efficace ou « signal électrique » qui peut transmettre d'autres changements électriques dans d'autres cellules. Les signaux peuvent être générés par des stimuli électriques, chimiques, magnétiques, optiques et autres qui influencent le flux de charges et donc les niveaux de tension à travers les membranes neurales.

Les ingénieurs utilisent des outils quantitatifs qui peuvent être utilisés pour comprendre et interagir avec des systèmes neuronaux complexes. Les méthodes d'étude et de génération de signaux chimiques, électriques, magnétiques et optiques responsables des potentiels de champ extracellulaire et de la transmission synaptique dans le tissu neuronal aident les chercheurs à moduler l'activité du système neuronal. Pour comprendre les propriétés de l'activité du système neuronal, les ingénieurs utilisent des techniques de traitement du signal et de modélisation informatique. Pour traiter ces signaux, les ingénieurs neuronaux doivent traduire les tensions à travers les membranes neuronales en code correspondant, un processus connu sous le nom de codage neuronal. Le codage neuronal étudie la façon dont le cerveau code des commandes simples sous la forme de générateurs de motifs centraux (CPG), de vecteurs de mouvement, du modèle interne cérébelleux et de cartes somatotopiques pour comprendre le mouvement et les phénomènes sensoriels. Le décodage de ces signaux dans le domaine des neurosciences est le processus par lequel les neurones comprennent les tensions qui leur ont été transmises. Les transformations impliquent les mécanismes par lesquels les signaux d'une certaine forme sont interprétés puis traduits en une autre forme. Les ingénieurs cherchent à modéliser mathématiquement ces transformations. Il existe une variété de méthodes utilisées pour enregistrer ces signaux de tension. Ceux-ci peuvent être intracellulaires ou extracellulaires. Les méthodes extracellulaires impliquent des enregistrements unitaires, des potentiels de champ extracellulaires et l'ampérométrie ; plus récemment, des réseaux multiélectrodes ont été utilisés pour enregistrer et imiter les signaux.

La neuromécanique est le couplage de la neurobiologie, de la biomécanique, de la sensation et de la perception et de la robotique. Les chercheurs utilisent des techniques et des modèles avancés pour étudier les propriétés mécaniques des tissus nerveux et leurs effets sur la capacité des tissus à résister et à générer de la force et des mouvements ainsi que leur vulnérabilité aux charges traumatiques. Ce domaine de recherche se concentre sur la traduction des transformations de l'information entre les systèmes neuromusculaire et squelettique pour développer des fonctions et des règles régissant le fonctionnement et l'organisation de ces systèmes. La neuromécanique peut être simulée en connectant des modèles informatiques de circuits neuronaux à des modèles de corps animaux situés dans des mondes physiques virtuels. L'analyse expérimentale de la biomécanique, y compris la cinématique et la dynamique des mouvements, le processus et les modèles de rétroaction motrice et sensorielle pendant les processus de mouvement, ainsi que le circuit et l'organisation synaptique du cerveau responsables du contrôle moteur, font actuellement l'objet de recherches pour comprendre la complexité du mouvement animal. Le laboratoire du Dr Michelle LaPlaca au Georgia Institute of Technology est impliqué dans l'étude de l'étirement mécanique des cultures cellulaires, de la déformation par cisaillement des cultures cellulaires planes et de la déformation par cisaillement des matrices contenant des cellules 3D. La compréhension de ces processus est suivie par le développement de modèles fonctionnels capables de caractériser ces systèmes dans des conditions de boucle fermée avec des paramètres spécialement définis. L'étude de la neuromécanique vise à améliorer les traitements des problèmes de santé physiologiques, ce qui comprend l'optimisation de la conception des prothèses, la restauration du mouvement après une blessure et la conception et le contrôle des robots mobiles. En étudiant les structures dans les hydrogels 3D, les chercheurs peuvent identifier de nouveaux modèles de mécanopropriétés des cellules nerveuses. Par exemple, LaPlaca et al. ont développé un nouveau modèle montrant que la déformation peut jouer un rôle dans la culture cellulaire.

La neuromodulation vise à traiter une maladie ou une blessure en utilisant des technologies de dispositifs médicaux qui amélioreraient ou supprimeraient l'activité du système nerveux avec l'administration d'agents pharmaceutiques, de signaux électriques ou d'autres formes de stimulus énergétique pour rétablir l'équilibre dans les régions altérées du cerveau. Cinq domaines de neuromodulation constituent ce sous-domaine de l'ingénierie neuronale qui utilise des techniques d'ingénierie pour réparer ou améliorer l'activité du système nerveux : la « luminothérapie », la « photobiomodulation », un groupe de techniques au sein des stimulations par « courant électrique transcrânien » et « champ magnétique transcrânien », la « neurostimulation intellectuelle photonique acoustique » (APIN), les « stimulations sonores à basse fréquence », y compris la « thérapie vibroacoustique » et la « stimulation auditive rythmique ». [ Une revue de la littérature scientifique (2024) identifie des hypothèses sur l'étiologie de différentes techniques de neuromodulation non invasives. L'analyse de ces données et le modèle neurocognitif mère-fœtus donnent un aperçu de l'origine de la neuromodulation naturelle pendant la grossesse.

Les chercheurs dans ce domaine sont confrontés au défi de relier les progrès dans la compréhension des signaux neuronaux aux progrès des technologies délivrant et analysant ces signaux avec une sensibilité, une biocompatibilité et une viabilité accrues dans des schémas en boucle fermée dans le cerveau, de sorte que de nouveaux traitements et applications cliniques puissent être créés pour traiter les personnes atteintes de lésions neuronales de divers types. Les dispositifs neuromodulateurs peuvent corriger le dysfonctionnement du système nerveux lié à la maladie de Parkinson, à la dystonie, aux tremblements, au syndrome de Tourette, à la douleur chronique, au TOC, à la dépression sévère et éventuellement à l'épilepsie. La neuromodulation est intéressante comme traitement pour divers défauts car elle se concentre sur le traitement de régions très spécifiques du cerveau uniquement, contrairement aux traitements systémiques qui peuvent avoir des effets secondaires sur le corps. Les stimulateurs neuromodulateurs tels que les réseaux de microélectrodes peuvent stimuler et enregistrer la fonction cérébrale et, avec de nouvelles améliorations, sont censés devenir des dispositifs d'administration réglables et réactifs pour les médicaments et autres stimuli.

L'ingénierie et la réadaptation neuronales appliquent les neurosciences et l'ingénierie à l'étude du fonctionnement du système nerveux périphérique et central et à la recherche de solutions cliniques aux problèmes créés par des lésions ou des dysfonctionnements cérébraux. L'ingénierie appliquée à la neurorégénération se concentre sur l'ingénierie des dispositifs et des matériaux qui facilitent la croissance des neurones pour des applications spécifiques telles que la régénération des lésions nerveuses périphériques, la régénération du tissu de la moelle épinière en cas de lésion de la moelle épinière et la régénération du tissu rétinien. Le génie génétique et l'ingénierie tissulaire sont des domaines qui développent des échafaudages sur lesquels la moelle épinière peut repousser, contribuant ainsi à résoudre les problèmes neurologiques.

Les recherches axées sur l’ingénierie neuronale utilisent des dispositifs pour étudier le fonctionnement et le dysfonctionnement du système nerveux.

Les techniques de neuroimagerie sont utilisées pour étudier l'activité des réseaux neuronaux, ainsi que la structure et la fonction du cerveau. Les technologies de neuroimagerie comprennent l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomographie par émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie axiale (TAO). Les études de neuroimagerie fonctionnelle s'intéressent aux zones du cerveau qui effectuent des tâches spécifiques. L'IRMf mesure l'activité hémodynamique étroitement liée à l'activité neuronale. Elle est utilisée pour cartographier les réponses métaboliques dans des régions spécifiques du cerveau à une tâche ou à un stimulus donné. La TEP, les scanners CT et l'électroencéphalographie (EEG) sont actuellement améliorés et utilisés à des fins similaires.

Les scientifiques peuvent utiliser des observations expérimentales de systèmes neuronaux et des modèles théoriques et informatiques de ces systèmes pour créer des réseaux neuronaux dans l'espoir de modéliser les systèmes neuronaux de la manière la plus réaliste possible. Les réseaux neuronaux peuvent être utilisés pour des analyses afin d'aider à concevoir d'autres dispositifs neurotechnologiques. Plus précisément, les chercheurs gèrent la modélisation analytique ou par éléments finis pour déterminer le contrôle des mouvements par le système nerveux et appliquent ces techniques pour aider les patients souffrant de lésions ou de troubles cérébraux. Les réseaux neuronaux artificiels peuvent être construits à partir de modèles théoriques et informatiques et mis en œuvre sur des ordinateurs à partir d'équations de dispositifs théoriques ou de résultats expérimentaux du comportement observé des systèmes neuronaux. Les modèles peuvent représenter la dynamique de concentration d'ions, la cinétique des canaux, la transmission synaptique, le calcul d'un neurone unique, le métabolisme de l'oxygène ou l'application de la théorie des systèmes dynamiques. L'assemblage de modèles à base de liquide a été utilisé pour concevoir des réseaux neuronaux 3D à partir de billes de microporteurs ensemencées par des neurones.

Les interfaces neuronales sont un élément majeur utilisé pour étudier les systèmes neuronaux et améliorer ou remplacer la fonction neuronale par des dispositifs techniques. Les ingénieurs doivent mettre au point des électrodes capables d'enregistrer de manière sélective à partir de circuits électroniques associés pour recueillir des informations sur l'activité du système nerveux et pour stimuler des régions spécifiques du tissu neuronal afin de restaurer la fonction ou la sensation de ce tissu (Cullen et al. 2011). Les matériaux utilisés pour ces dispositifs doivent correspondre aux propriétés mécaniques du tissu neuronal dans lequel ils sont placés et les dommages doivent être évalués. L'interface neuronale implique la régénération temporaire d'échafaudages de biomatériaux ou d'électrodes chroniques et doit gérer la réponse du corps aux matériaux étrangers . Les réseaux de microélectrodes sont des avancées récentes qui peuvent être utilisées pour étudier les réseaux neuronaux (Cullen & Pfister 2011). Les interfaces neuronales optiques impliquent des enregistrements optiques et l'optogénétique , rendant certaines cellules cérébrales sensibles à la lumière afin de moduler leur activité. Des fibres optiques peuvent être implantées dans le cerveau pour stimuler ou faire taire des neurones ciblés à l’aide de la lumière, ainsi que pour enregistrer l’activité photonique – un indicateur de l’activité neuronale – au lieu d’utiliser des électrodes. La microscopie à excitation à deux photons peut étudier les réseaux neuronaux vivants et les événements de communication entre les neurones.

Les interfaces cerveau-ordinateur cherchent à communiquer directement avec le système nerveux humain pour surveiller et stimuler les circuits neuronaux ainsi que pour diagnostiquer et traiter les dysfonctionnements neurologiques intrinsèques. La stimulation cérébrale profonde est une avancée significative dans ce domaine, particulièrement efficace dans le traitement des troubles du mouvement tels que la maladie de Parkinson, grâce à une stimulation à haute fréquence du tissu nerveux pour supprimer les tremblements (Lega et al. 2011).

Des microsystèmes neuronaux peuvent être développés pour interpréter et transmettre des signaux électriques, chimiques, magnétiques et optiques au tissu nerveux. Ils peuvent détecter les variations du potentiel membranaire et mesurer les propriétés électriques telles que la population, l'amplitude ou la vitesse des pics en utilisant des électrodes ou en évaluant les concentrations chimiques, l'intensité de la lumière fluorescente ou le potentiel du champ magnétique. L'objectif de ces systèmes est de transmettre des signaux qui influenceraient le potentiel du tissu neuronal et stimuleraient ainsi le tissu cérébral pour susciter une réponse souhaitée.

Les réseaux de microélectrodes sont des outils spécifiques utilisés pour détecter les changements brusques de tension dans les environnements extracellulaires qui se produisent à partir de la propagation d'un potentiel d'action le long d'un axone. Le Dr Mark Allen et le Dr LaPlaca ont microfabriqué des électrodes 3D à partir de matériaux cytocompatibles tels que les polymères SU-8 et SLA qui ont conduit au développement de systèmes de microélectrodes in vitro et in vivo avec les caractéristiques de haute conformité et de flexibilité pour minimiser la rupture des tissus.

Les neuroprothèses sont des dispositifs capables de compléter ou de remplacer les fonctions manquantes du système nerveux en stimulant le système nerveux et en enregistrant son activité. Des électrodes qui mesurent les décharges nerveuses peuvent s'intégrer aux prothèses et leur signaler d'exécuter la fonction prévue par le signal transmis. Les prothèses sensorielles utilisent des capteurs artificiels pour remplacer les entrées neuronales qui pourraient manquer de sources biologiques. Les ingénieurs qui étudient ces dispositifs sont chargés de fournir une interface artificielle, chronique et sûre avec le tissu neuronal. La plus réussie de ces prothèses sensorielles est peut-être l' implant cochléaire qui a restauré les capacités auditives des sourds. Les prothèses visuelles pour restaurer les capacités visuelles des personnes aveugles en sont encore à des stades plus élémentaires de développement. Les prothèses motrices sont des dispositifs impliqués dans la stimulation électrique du système musculaire neuronal biologique qui peuvent se substituer aux mécanismes de contrôle du cerveau ou de la moelle épinière. Des prothèses intelligentes peuvent être conçues pour remplacer les membres manquants contrôlés par des signaux neuronaux en transplantant des nerfs du moignon d'un amputé vers les muscles. Les prothèses sensorielles fournissent une rétroaction sensorielle en transformant les stimuli mécaniques de la périphérie en informations codées accessibles par le système nerveux. Des électrodes placées sur la peau peuvent interpréter les signaux et ensuite contrôler le membre prothétique. Ces prothèses ont connu un grand succès. La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) est un système visant à restaurer les processus moteurs tels que la station debout, la marche et la préhension manuelle.

La neurorobotique est l'étude de la manière dont les systèmes neuronaux peuvent être incorporés et les mouvements imités dans des machines mécaniques. Les neurorobots sont généralement utilisés pour étudier le contrôle moteur et la locomotion, l'apprentissage et la sélection de la mémoire, ainsi que les systèmes de valeurs et la sélection des actions. En étudiant les neurorobots dans des environnements réels, ils sont plus facilement observés et évalués pour décrire les heuristiques de la fonction du robot en termes de ses systèmes neuronaux intégrés et des réactions de ces systèmes à son environnement. Par exemple, en utilisant un modèle informatique de la dynamique des pointes-ondes épilectiques, il a déjà été prouvé l'efficacité d'une méthode de simulation de la réduction des crises grâce à un protocole pseudospectral. Le modèle informatique émule la connectivité cérébrale en utilisant une résonance d'imagerie magnétique d'un patient atteint d'épilepsie généralisée idiopathique. La méthode a pu générer des stimuli capables de réduire les crises.

La régénération des tissus neuronaux, ou neurorégénération, vise à restaurer la fonction des neurones endommagés par des blessures légères ou plus importantes, comme celles causées par un traumatisme crânien. La restauration fonctionnelle des nerfs endommagés implique le rétablissement d'une voie continue de régénération des axones vers le site d'innervation. Des chercheurs comme le Dr LaPlaca du Georgia Institute of Technology cherchent à trouver un traitement pour la réparation et la régénération après un traumatisme crânien et des lésions de la moelle épinière en appliquant des stratégies d'ingénierie tissulaire. Le Dr LaPlaca étudie des méthodes combinant des cellules souches neurales avec un échafaudage à base de protéines de matrice extracellulaire pour une administration minimalement invasive dans les lésions de forme irrégulière qui se forment après un traumatisme. En étudiant les cellules souches neurales in vitro et en explorant d'autres sources de cellules, en concevant de nouveaux biopolymères qui pourraient être utilisés dans un échafaudage et en étudiant les greffes de cellules ou de tissus créés par ingénierie in vivo dans des modèles de traumatisme crânien et de lésion de la moelle épinière, le laboratoire du Dr LaPlaca vise à identifier des stratégies optimales pour la régénération nerveuse après une blessure.

La suture chirurgicale de bout en bout des extrémités nerveuses endommagées peut réparer de petits espaces avec des greffes nerveuses autologues. Pour les blessures plus importantes, une greffe nerveuse autologue prélevée à un autre endroit du corps peut être utilisée, bien que ce processus soit long, coûteux et nécessite deux interventions chirurgicales. Le traitement clinique du système nerveux central est peu disponible et se concentre principalement sur la réduction des dommages collatéraux causés par des fragments osseux à proximité du site de la blessure ou de l'inflammation. Une fois que le gonflement entourant la blessure a diminué, les patients subissent une rééducation afin que les nerfs restants puissent être entraînés à compenser le manque de fonction nerveuse des nerfs blessés. Il n'existe actuellement aucun traitement pour restaurer la fonction nerveuse des nerfs du système nerveux central qui ont été endommagés.

Les stratégies d'ingénierie pour la réparation des lésions de la moelle épinière visent à créer un environnement favorable à la régénération nerveuse. Jusqu'à présent, seules les lésions des nerfs périphériques du système nerveux périphérique (SNP) ont été cliniquement possibles, mais les progrès de la recherche sur les techniques génétiques et les biomatériaux démontrent le potentiel des nerfs de la moelle épinière à se régénérer dans des environnements favorables.

Les greffes de tissus autologues présentent l’avantage de provenir de matériaux naturels qui présentent une forte probabilité de biocompatibilité tout en fournissant un support structurel aux nerfs qui favorise l’adhésion et la migration des cellules. Les tissus non autologues, les greffes acellulaires et les matériaux à base de matrice extracellulaire sont autant d’options qui peuvent également fournir un échafaudage idéal pour la régénération nerveuse . Certains proviennent de tissus allogènes ou xénogéniques qui doivent être associés à des immunosuppresseurs . D’autres comprennent des greffes de sous-muqueuse intestinale grêle et de tissu amniotique. Les matériaux synthétiques sont des options intéressantes car leurs propriétés physiques et chimiques peuvent généralement être contrôlées. Un défi qui reste avec les matériaux synthétiques est la biocompatibilité . Les constructions à base de méthylcellulose se sont avérées être une option biocompatible répondant à cet objectif. AxoGen utilise une technologie de greffe cellulaire AVANCE pour imiter un nerf humain. Il a été démontré qu’elle permettait une récupération significative chez 87 % des patients souffrant de lésions nerveuses périphériques.

Les canaux de guidage nerveux et les conduits de guidage nerveux sont des stratégies innovantes axées sur les défauts plus importants qui fournissent un conduit pour la germination des axones dirigeant la croissance et réduisant l'inhibition de la croissance due au tissu cicatriciel. Les canaux de guidage nerveux doivent être facilement formés en un conduit aux dimensions souhaitées, stérilisables, résistants aux déchirures et faciles à manipuler et à suturer. Idéalement, ils se dégraderaient au fil du temps avec la régénération nerveuse, seraient souples, semi-perméables, conserveraient leur forme et auraient une paroi interne lisse qui imite celle d'un vrai nerf.

Des systèmes de distribution hautement contrôlés sont nécessaires pour favoriser la régénération neuronale . Les facteurs neurotrophiques peuvent influencer le développement, la survie, la croissance et la ramification. Les neurotrophines comprennent le facteur de croissance nerveuse (NGF), le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF), la neurotrophine-3 (NT-3) et la neurotrophine-4/5 (NT-4/5). D'autres facteurs sont le facteur neurotrophique ciliaire (CNTF), le facteur de croissance dérivé de la lignée cellulaire gliale (GDNF) et le facteur de croissance acide et basique des fibroblastes (aFGF, bFGF) qui favorisent une gamme de réponses neuronales. Il a également été démontré que la fibronectine favorise la régénération nerveuse après un traumatisme cérébral chez le rat. D'autres thérapies étudient la régénération des nerfs en régulant à la hausse les gènes associés à la régénération (RAG), les composants du cytosquelette neuronal et les facteurs anti-apoptose. Les RAG comprennent GAP-43 et Cap-23, des molécules d'adhésion telles que la famille L1 , NCAM et N-cadhérine . Il existe également un potentiel de blocage des biomolécules inhibitrices dans le SNC en raison de la cicatrisation gliale. Certains traitements actuellement étudiés sont la chondroïtinase ABC et le blocage de NgR, ADP-ribose.

Les dispositifs d'administration doivent être biocompatibles et stables in vivo. Parmi les exemples, on peut citer les pompes osmotiques, les réservoirs en silicone, les matrices polymères et les microsphères. Les techniques de thérapie génique ont également été étudiées pour assurer la production à long terme de facteurs de croissance et pourraient être administrées avec des vecteurs viraux ou non viraux tels que les lipoplexes. Les cellules sont également des véhicules d'administration efficaces pour les composants de la matrice extracellulaire, les facteurs neurotrophiques et les molécules d'adhésion cellulaire. Les cellules engainantes olfactives (OEC) et les cellules souches ainsi que les cellules génétiquement modifiées ont été utilisées comme greffes pour soutenir la régénération nerveuse.

Les thérapies avancées combinent des canaux de guidage complexes et de multiples stimuli qui se concentrent sur des structures internes qui imitent l'architecture nerveuse contenant des matrices internes de fibres ou de canaux alignés longitudinalement. La fabrication de ces structures peut utiliser un certain nombre de technologies : alignement de fibres polymères magnétiques, moulage par injection, séparation de phase, fabrication de formes libres solides et impression de polymères à jet d'encre.

L’augmentation des systèmes neuronaux humains, ou l’amélioration de l’être humain à l’aide de techniques d’ingénierie, est une autre application possible de la neuro-ingénierie. Il a déjà été démontré que la stimulation cérébrale profonde améliore la mémoire, comme l’ont noté des patients qui utilisent actuellement ce traitement pour des troubles neurologiques. On suppose que les techniques de stimulation cérébrale sont capables de sculpter les émotions et les personnalités, ainsi que d’améliorer la motivation, de réduire les inhibitions, etc., selon les besoins de l’individu. Les problèmes éthiques liés à ce type d’augmentation humaine constituent un nouvel ensemble de questions auxquelles les ingénieurs neuronaux doivent faire face au fur et à mesure que ces études se développent.