Electrodes en carbone pour la stimulation et l'enregistrement de la voie visuelle

Carbon based materials for recording and stimulating the visual pathway

• Auteur / Autrice : Diep Nguyen
• Direction : Serge Picaud, Philippe Bergonzo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie biomédicale
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la vision (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Farzaneh Arefi-Khonsari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Lissorgues
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphanie Lacour, Richard B. Jackman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses oculaires

Bore

Matrices de microélectrodes

Interfaces neuronales directes

Mots clés libres

Graphène

Diamant dopé bore

Matrices de microélectrodes

Biocompatibilité

Vision

Graphene

Boron doped diamond

Multielectrode arrays

Biocompatibility

Vision

Résumé

Les interfaces cerveau-machine (ICM) offrent des possibilités non seulement de réhabilitation des déficiences motrices et sensorielles, mais également de contrôle des logiciels informatiques. Elles nécessitent une profonde compréhension des activités cérébrales ainsi que de l’activation du système nerveux central par stimulation électrique. Les ICMs, et notamment les prothèses visuelles, sont fortement dépendantes de la performance et de la durabilité des microélectrodes. Les progrès en termes de matériaux de fabrication des électrodes permettront d’accroître leur résolution spatiale, avec une plus grande densité d’électrodes pour élargir la qualité du signal, comme l’acuité visuelle. Les matériaux à base de carbone suscitent de plus en plus d’intérêt en raison de leurs propriétés semi-conductrices, leur synthèse simple et leurs surfaces modulables qui les rendent polyvalents et adaptés à de nombreuses applications d’ICM.Cette thèse explore l’utilisation de graphène et de diamant dopé au bore (BDD, de l’anglais boron-doped diamond) comme microélectrodes d’interface neurale. Le graphène a été utilisé pour enregistrer les potentiels de champs locaux sur l’œil, représentés par électrorétinogrammes, ainsi que les pics d’activité sur la rétine. La stimulation électrique, quant à elle, a été appliquée aux neurones rétiniens pour développer des prothèses rétiniennes. En parallèle, la biocompatibilité du graphène avec ces interfaces neurales a été étudiée à travers la caractérisation des réactions de la rétine lors de l’implantation chronique de dispositifs recouverts de graphène dans l’œil. Enfin, l’utilisation de diamant dopé au bore a été étudiée à travers la microfabrication d’implants fonctionnels, leur caractérisation, ainsi que leur capacité à enregistrer des potentiels visuels sur la surface cérébrale. Cette étude fournit de nouveaux éléments qui confirment les nombreuses possibilités offertes par les matériaux à base de carbone. Leur usage pour des applications d’ICMs d’enregistrement et de stimulation de circuits neurologiques a été démontré, et leur biocompatibilité pour la pose d’implants de longue durée a été prouvée.

Brain-machine interfaces (BMI) not only have the potential to restore motor and sensory loss, but also control computer devices. It requires understanding of brain signal activities, and their outputting to the central nervous system via electrical stimulation. BMIs such as visual prosthetics are highly dependent on very performant and lasting microelectrode technologies. Improvement on electrode materials could provide an avenue to increase their spatial resolution allowing a greater electrode density enlarging the signal quality, like visual acuity in visual prostheses. Carbon-based materials are gradually gaining interest due to their semi-conductive properties, their simple synthesis, and highly modifiable surface development making them polyvalent to a wide range of BCI applications.This PhD explores the use of graphene material and boron-doped diamond (BDD) as neural-interfacing microelectrodes. Graphene was used for recording either local field potentials on the eye represented by electroretinograms or spiking activity on the retina whilst electrical stimulation was applied on retinal neurons to develop retinal prostheses. In parallel, the biocompatibility of graphene for such neuronal interfaces was investigated by characterizing the retinal reactions to chronic implantation of a graphene-coated device in the eye. The use of boron doped diamond was finally explored through the microfabrication of functional devices, its characterization, and finally its capability to record visually evoked potentials on the surface brain. This study provides further evidence supporting the wide interest for carbon-based materials, showing their use for BMIs applications for recording and stimulation of neural circuits as well as their biocompatibility for long-term implantation.