Thèse soutenue

Croissance et activité de cultures neuronales : émergence de comportements organisés.

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Auteur / Autrice : Tanguy Fardet
Direction : Pascal Monceau
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique. Biophysique
Date : Soutenance le 18/09/2018
Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Di Meglio
Examinateurs / Examinatrices : Pascal Monceau, Jean-Marc Di Meglio, Romain Brette, Jordi Soriano Fradera, Catherine Villard, Alain Destexhe, Alexandra Benchoua
Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Brette, Jordi Soriano Fradera

Résumé

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Dans cette thèse, je propose plusieurs modèles et outils numériques afin de mieux comprendre et prédire le comportement et le développement de cultures et dispositifs neuronaux.Les cultures de neurones ont en effet été un outil précieux durant les 20 dernières années : elles ont permis de mieux comprendre la manière dont le cerveau traite les différentes informations qui lui parviennent en donnant aux scientifiques la possibilité de tester les effets de médicaments sur les neurones, ainsi que d'obtenir leurs réponses détaillées à diverses perturbations et stimuli.De plus, de récentes avancées en microfluidiques ont ouvert la voie à la conception de dispositifs neuronaux plus élaborés, rapprochant encore un peu plus la perspective du traitement de signaux complexes via des neurones in vitro.Dans une première partie, je propose un mécanisme pour expliquer les bouffées d'activité épileptiformes présentes dans les cultures, mécanisme que je formule via un modèle théorique concis. J'effectue ensuite une vérification expérimentale des prédictions du modèle sur des cultures et montre que celles-ci sont effectivement compatibles avec le comportement observé in vitro.Dans une seconde partie, je décris plus en détail la description de la dynamique spatio-temporelle du phénomène, notamment le fait que les bursts nucléent en des zones bien précises du réseau neuronal.Comme les prédictions et analyses effectuées dépendent fortement de la structure de ce réseau, je présente ensuite la réalisation d'une plateforme de simulation afin de permettre de modéliser efficacement le développement des réseaux neuronaux. Ce logiciel prend en compte les interactions entre les neurones et leur environnement et constitue la première plateforme à fournir des modèles polyvalents et complets pour décrire l'intégralité du processus de croissance neuronal. Je montre ensuite que ce simulateur est capable de générer des morphologies valides et l'utilise pour proposer des nouvelles topologies de réseaux afin de décrire les cultures de neurones. Je reproduis également des dispositifs neuronaux existants et montre que les activités entretenues par ces structures sont compatibles avec les observations expérimentales. Enfin, je discute plusieurs directions de recherche possibles, pour lesquelles l'utilisation de dispositifs neuronaux spécifiques permettrait de contourner les limitations des cultures neuronales et fournirait ainsi de nouvelles informations sur les processus sous-tendant le développement et la plasticité cérébrale