Développement de nouvelles matrices de micro-électrodes pour l’analyse et la compréhension du système nerveux central

Development of new Micro Electrode Array to understand dynamics of large neural network

• Auteur / Autrice : Lionel Rousseau
• Direction : Gaëlle Lissorgues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 13/01/2010
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Alexander Kuhn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Lissorgues, Christophe Pouzat, Odile Picon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pere Roca i Cabarrocas, Bruno Le Pioufle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectrodes

Optoélectronique

Électrochimie

Silicium -- Composés

Neuroprothèses

Système nerveux central

Matrices

Mots clés libres

Matrices

Système nerveux central

Neuroprothèses

Silicium, composés

Électrochimie

Optoélectronique

Microélectrodes

Matrices

Central nervous system

Prosthesis

Silicon compounds

Electrochemical

Electrooptics

Microelectrodes

Résumé

La compréhension et l'étude du système nerveux est un des grands enjeux du XXIème siècle à la fois pour la recherche fondamentale, mais également pour la mise au point de neuroprothèses implantables pour la réhabilitation fonctionnelle (exemple : implants rétiniens, implants cochléaires). Depuis quelques années, des systèmes basés sur l'utilisation de multi-électrodes (MEA : Multi-Electrode-Array) offrent la possibilité d'enregistrer des milliers de cellules interconnectées entre-elles sur plusieurs jours sur des tranches de tissu nerveux ou des systèmes nerveux complets. Mais une des limites de cette technique est le faible nombre de voies de ces systèmes (64 voies). Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une technologie de fabrication permettant la réalisation d'un système multiélectrode s « haute densité 3D ». Cela passe par le développement d'une nouvelle technologie dans la réalisation de micro pointes basée sur la gravure profonde du silicium (DRIE), qui permet d'obtenir des pointes en silicium de 80 µm de haut espacées de 50 µm. Des matrices 60, 256 et 1024 voies ont été fabriquées par cette technique. L'utilisation de la stimulation est aussi un point important dans l'étude de ces grands réseaux, mais il n'est pas possible actuellement de disposer de système permettant une stimulation focale. Pour résoudre ce problème, nous avons développé des matrices spécifiques permettant d'obtenir des stimulations focales du tissu. Nous avons également dans ces travaux de thèse étudié le comportement de l'interface métal/liquide, qui est cruciale pour la réalisation de MEA, en utilisant des techniques d'électrochimie

One challenge of the XXIème century will be to understand dynamics of large neural networks for research and to develop neuroprothesis implant (ex retinal implant, cochlear implant). Today microelectrodes arrays (MEAs) positioned in contact with the neural tissue offer the opportunity to record and simulate neuronal tissue. But the main drawback of his technique is low number of recording sites (typically 64). During this thesis, we have developed a specific process using deep reactive ions etching (DRIE), to achieve high density 3D MEAs containing several hundreds of microelectrodes. We have fabricated microneedles 80 µm of height with spacing of 50 µm and MEAs with 60 – 256 and 1024 microelectrodes have been built with this process. Microstimulation, which makes use of electrodes on the micron scale, is gaining increasing interest in both fundamental and clinical research, opening the possibility to stimulate small groups of neurons instead of large regions. However, controlling the spatial extent of microstimulation to achieve focal activation of neuron networks is a challenge. We have proposed a new configuration of MEA specifically designed to achieve a local stimulation. We have also characterised the interface metal/liquid, that was very important for MEA and we have used electrochemistry techniques