Développement et activité de réseaux de neurones in vitro : enseigner la chimie organique par le jeu

Development and activity of in vitro neuronal networks : learning organic chemistry through games

• Auteur / Autrice : Maéva Vignes
• Direction : Jean-Louis Viovy, Bernard Brugg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance le 22/11/2013
• Etablissement(s) : Paris 5
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Martin Oheim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Viovy, Bernard Brugg, Martin Oheim, Elisha Moses, Catherine Villard, Jean-François Le Maréchal, Samuel Bottani, Jean-Michel Peyrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisha Moses, Catherine Villard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optogénétique

Biophysique

Microfluidique

Réseaux neuronaux (physiologie)

Mots clés libres

Réseaux de neurones

Microfluidique

Biophysique

Micro-patterns

Optogénétique

Jeux éducatifs

Neuronal networks

Microfluidics

Biophysics

Micro-patterns

Optogenetics

Educational games

Résumé

Ma thèse comporte deux grandes parties, la première en biophysique et la seconde en science de l’éducation. La première partie présente des travaux à la frontière entre neurobiologie et microfluidique. Le but de ces travaux est de pouvoir reconstruire et étudier des réseaux complexes de neurones in vitro avec une topologie de connections synaptiques bien contrôlées. Une série de micro-structures mécanique et/ou chimique ont été étudiées pour leur capacité à (i) positionner les corps cellulaires des neurones, (ii) orienter la pousse des neurites, et (iii) différencier les axones des dendrites. Un premier réseau comportant trois populations de neurones connectées en série a été reconstruit à l’intérieur d’un circuit microfluidique. Ce réseau qui mime la voie perforante de l’hippocampe pourra être exploité pour des études en physiologie ou en neuro-dégénerescence. Une méthode entièrement optique de stimulation et d’observation de l’activité neuronal a été mise au point. Elle ouvre de nouvelles portes pour étudier des processus cognitifs complexes dans des systèmes simplifiés in vitro. La seconde partie de mon travail a permis le développement et l’étude de jeux pédagogiques pour l’apprentissage de la chimie en licence. Ces jeux, qui peuvent selon les cas remplacer un cours ou une séance d’exercices, donnent des résultats prometteurs pour l’aide à la compréhension et à la mémorisation de concepts tels que la géométrie des molécules ou la réactivité entre molécules organiques.

My PhD is divided in two parts one on biophysic of neuronal networks and one on science of education. The first part present results at the frontier between neurobiology and microfluidic. The overarching goal of this work was to develop tools and methods to build and study complex neuronal networks controlling the topology of synaptic connexions. Micro-patterning techniques with mechanical and/or chemical constraints were explored regarding their capacity to (i) position cell bodies, (ii) orient neurite outgrowth and (iii) polarize neurons. For the first time, a network comprising three different neuronal populations connected in specified directions was reconstructed in a microfluidic device. This network that mimics the perforant pathway of the hippocampus can be used to study physiological rythms or neurodegenerative processes including Alzheimer’s disease. A novel and fully optical method is presented to stimulate and record neuronal activity in vitro. It opens new routes to study complex cognitive processes in simplified in vitro systems. The second part of my work present the development and assessment of educational games in chemistry at the undergraduate level. These games that can either be used to replace courses or exercises, seem promising to improve the understanding and memorization of chemistry concepts og geometries of molecules and organic reactivity.