Microélectrodes nanocomposites implantables couplant enregistrement-stimulation neuronale et détection électrochimique de neurotransmetteurs

Implantable nanocomposite microelectrodes for neural recording and stimulation coupled with neurotransmitter electrochemical detection

• Auteur / Autrice : Valentin Saunier
• Direction : Christian Bergaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 12/03/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrophysiologie

Implants électroniques

Microélectrodes

Mots clés libres

Microélectrodes

Implant

Implantable

Électrophysiologie

Stimulation

Neurotransmetteurs

Électrochimie

FSCV

PEDOT

Microelectrodes

Implant

Implantable

Electrophysiology

Stimulation

Neurotransmitters

Electrochemistry

FSCV

PEDOT

Résumé

L'électrophysiologie est le domaine de la physiologie qui vise à enregistrer l'activité électrique des tissues biologiques. En utilisant des microélectrodes implantées dans le cerveau, l'électrophysiologie a permis de réaliser des avancées décisives dans la compréhension des mécanismes neurologiques majeurs, comme la mémoire, le langage et l'apprentissage, grâce à l'enregistrement de l'activité électrique du cerveau. Ces avancées promettaient d'aider au développement de traitements et de dispositifs thérapeutiques pour les principales maladies neurologiques comme Parkinson, Alzheimer ou l'épilepsie. Cependant, la nécessité d'obtenir des sources de signaux complémentaires aux enregistrements électrophysiologiques a récemment émergé, la recherche thérapeutique basée exclusivement sur l'utilisation de ces signaux électriques conduisant le plus souvent à des impasses. Ces signaux électriques étant portés par des molécules appelées neurotransmetteurs, leur détection en temps réel devrait être une source pertinente de signaux complémentaires à combiner aux signaux électrophysiologiques. Durant cette thèse, de nouvelles microélectrodes nano-composites à base de PEDOT et de nanofibres de carbone oxydées ont été développées pour réaliser cette combinaison. Ces électrodes présentent d'excellentes caractéristiques in-vitro pour l'électrophysiologie bidirectionnelle, avec une faible impédance et une forte capacité d'injection de charge. Ces électrodes permettent également de détecter électrochimiquement la dopamine (un neurotransmetteur clé) grâce à deux techniques complémentaires, la chronoampérométrie et la voltammétrie cyclique rapide. De plus, ces électrodes modifiées gardent un profil spatial adéquat pour s'interfacer avec une cellule unique, ce qui ajouté à leurs autres caractéristiques en font des dispositifs adéquats pour l'interfaçage neuronal multifonctionnel, ajoutant la détection de neurotransmetteurs à l'enregistrement électrique. Intégrées sur des implants flexibles, ces électrodes ont été testées in-vivo dans des tranches de cerveau de souris comme électrodes d'enregistrement et de stimulation électrique, réalisant de l'électrophysiologie bidirectionnelle. Leurs hautes performances ont permis d'enregistrer l'activité électrique du cerveau sur une plage de fréquences plus importante et avec un meilleur rapport Signal sur Bruit que celui obtenu avec des microélectrodes standard. En conclusion, les performances des microélectrodes modifiées développées durant cette thèse sont très prometteuses pour l'interfaçage neuronal multifonctionnel au niveau de la cellule unique. Elles permettent en effet le couplage d'enregistrements électrophysiologiques et de stimulation électrique in-vivo, tout en permettant la détection électrochimique de neurotransmetteurs in-vitro. Ces propriétés en font des dispositifs de pointe pour la recherche et pour des applications thérapeutiques en neuroscience faisant appel à la fois à l'enregistrement des activités électrique et neurochimique.

Electrophysiology is the physiology field that aims at recording the electrical activity of biological tissues. Using microelectrodes in or on the brain, electrophysiology helped make crucial advancements in the understanding of major neurological mechanisms like memory, language, learning by recording the brain electrical signals. Through these advances, it promised and helped develop treatments and therapeutic devices to cure the major neurological diseases like Parkinson's, Alzheimer's or epilepsy. However, recently the need for other sources of information to combine with electrophysiological recordings has raised, as the research and therapeutic approaches over-relying on these recordings did mostly lead to dead-ends. As the brain electrical activity is molecularly supported by a class of molecules called neurotransmitters, their detection in real-time is proposed as a high-potential complementary brain study technique to integrate along with electrophysiological recordings during neural interfacing. During this PhD, we developed a new generation of nanocomposite microelectrodes made of both PEDOT and oxidized carbon nanofibers to meet this combined integration. These electrodes displayed a key characteristics combination in-vitro, with low impedance, high charge injection limit, making them promising candidates for bidirectional electrophysiology, while being capable to detect dopamine (one key neurotransmitter) using two complementary techniques, chronoamperometry and fast-scan cyclic voltammetry. Moreover, these electrodes keep a sufficiently low spatial profile to interface with single cells, making them promising candidates for multifunctional neural interfacing, adding neurochemical detection to electrical recordings. Integrated on flexible implants, these electrodes were first tested in-vivo in brain slices as recording and stimulating electrodes (realizing bidirectional electrophysiology). They showed high performances, being capable to record brain electrical signals on a wider frequency range than standard microelectrodes, with a higher Signal to Noise Ratio (SNR). They also allowed to electrically stimulate brain slices tissues, generating measurable outputs with low inputs compared to standard electrodes. In conclusion, the modified electrodes developed in this thesis showed promising properties for multifunctional neural interfacing at a single cell level, enabling the coupling between electrophysiological recording and electrical stimulation of tissues in-vivo, while also being capable of neurotransmitter electrodetection in-vitro. Through these properties, they constitute meaningful candidates for long-term simultaneous recording of the brain electrical and neurochemical activities for research and therapeutic applications.