Réalisation d'un implant réseau de haute densité d'électrodes intra-corticales pour la détection stable de potentiels d'action et de potentiels de champs locaux

Development of an implant with a high density intra-cortical electrode array for the stable recording of action potentials and local field potentials

• Auteur / Autrice : Paul Villard
• Direction : Blaise Yvert, Gaëlle Piret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 14/06/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire BrainTech (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Picart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Mailley, Serge Picaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christelle Prinz, Christian Bergaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cortex cérébral

Électrodes

Mots clés libres

Implant intra-Cortical

Enregistrement neuronal

Réseau d'electrodes

Intra-Cortical implant

Neural recording

Electrode array

Résumé

Pour comprendre la dynamique du réseau neuronal, la spécificité des neurones, les pathologies neuronales et trouver de nouveaux traitements, les dispositifs devront permettre un enregistrement neuronal stable et une stimulation multisites avec une bonne résolution temporelle. Dans cette thèse, nous avons conçu un implant SU-8 flexible à haute densité d'électrodes pour enregistrer simultanément différentes régions du cortex cérébral. Chaque électrode de platine de 15 µm de diamètre de l'implant est située à l'extrémité d'un fil de 11, 20 ou 50 µm de largeur, libre de tout mouvement sur une longueur de 2 mm. Les différentes tailles des fils permettront en outre d’évaluer l’influence des dimensions sur la réponse immunitaire. Dans cette thèse, des implants très minces ont été fabriqués, manipulés et connectés avec succès au système d'enregistrement en utilisant une extension en polyimide / cuivre et un film conducteur anisotrope. La moyenne des impédances pour les électrodes est de 810 KOhm et la moyenne du bruit blanc est de 10 µV. Diverses techniques d'insertion chirurgicales dans le cortex de rat ou un matériau similaire (agarose 0,6%) ont été étudiées, notamment via l'encapsulation d'électrodes dans des matériaux biodégradables ou l'utilisation d'un fil fin comme support d’implantation. Les deux techniques présentent des avantages et des inconvénients et devraient être améliorées à l'avenir. L'activité neuronale, des potentiels de champ locaux ainsi que des potentiels d’action, ont pu être enregistrés sur trois rats implantés avec la technique de la navette, démontrant la capacité d'enregistrement de ce nouveau type d'implant. Enfin, dans cette thèse, une nouvelle méthode a été développée pour comparer les performances des matériaux d'électrodes couramment utilisés pour stimuler les tissus nerveux. Il détermine la capacité de charge d'injection d'une électrode en observant un changement de fluorescence d'un colorant sensible au pH autour de l'électrode selon différents courants de stimulation. Les outils de mesure habituels tels que la spectroscopie d'impédance, l'enregistrement du bruit ou l'évaluation de la capacité de charge d'injection et la capacité de stockage de charge ont également été utilisés pour vérifier la fiabilité de la nouvelle méthode. Cette étude montre que les matériaux les plus efficaces pour stimuler sont le diamant 3D nanostructuré et le PEDOT et met en évidence que plus l'impulsion de courant de stimulation est courte, plus la densité de courant sera située aux bords de l'électrode.

To understand the dynamics of the neural network, neuron specificity, neural pathologies, and find new treatments, devices will have to allow a stable neural recording and multi-site stimulation with a good temporal resolution. In this thesis, we designed a flexible SU-8 implant with a high electrode density to record different regions of the cortex simultaneously. Each 15µm diameter platinum electrode of the implant is located at the end of a 11, 20 or 50 µm wide wire, free of its movements over a length of 2mm. The different sizes of the wires will further allow to evaluate the influence of dimensions on the immune response. In this thesis, the very fragile and thin implant fabrication, manipulation and connection with the recording station using a thick polyimide/copper extension and an anisotropic conductive film, were successfully achieved. The mean impedance was 810 KOhm and the mean RMS noise of electrode implants in saline solution was about 10 µV. Various surgical insertion techniques in rat cortex or agar gel (agarose 0,6%) have been studied, in particular the electrodes encapsulation in biodegradable tips or the use of a thin wire as a shuttle. Both techniques present pros and cons and should be improved in the future. Neuronal activity, such as local field potentials as well as action potentials, could be recorded in three rats implanted with the shuttle technique, demonstrating the capacity of this new type of implant in recording. Finally, in this thesis, a new method was developed to compare the performance of electrode materials commonly used to stimulate neurale tissue. It determines the injection charge capacity of an electrode by observing a change in fluorescence of a pH-sensitive dye around the electrode for different stimulation current intensities. Usual measurement tools such as impedance spectroscopy, noise recording, or evaluation of the injection charge capacity and the charge storage capacity were used as well, to check the new method reliability. This study shows that most effective materials to stimulate are the 3D nanostructured diamond and the PEDOT and highlights that when the stimulation current pulse is shorter, the current density will rather be located in the edges of the electrode.