Interfacer les neurones avec la nanoélectronique organique : des microélectrodes passives aux transistors électrochimiques organiques

Interfacing neurons with organic nanoelectronics : from passive microelectrodes to organic electrochemical transistors

• Auteur / Autrice : Mahdi Ghazal
• Direction : Yannick Coffinier, Fabien Alibart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Virginie Hoel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Urs Frey, Sophie Halliez, Sébastien Pecqueur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Charlot, Christian Bergaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanobiotechnologie

Réseaux neuronaux (physiologie)

Électrophysiologie

Électronique organique

Interfaces neuronales directes

Mots clés libres

Ingénierie neuromorphique

Transistors électrochimiques organiques

Enregistrement cérébral

Neural interface

Organic nanoelectronics

Bio-Nano interface

Electrophysiology

Neuromorphic engineering

Nanotechnology

Résumé

L'électrophysiologie est la science qui étudie les propriétés électriques des cellules et des tissus électrogéniques, afin de caractériser leur fonctionnalité, leur excitabilité et leur interconnectivité en tant que réseau. Dans la quête pour déchiffrer le code neuronal, il est essentiel de changer la façon dont nos technologies fonctionnent pour enregistrer et stimuler l'électrophysiologie du cerveau. Débloquer les goulots d'étranglement dans les neuroprothèses d'implants artificiels ou l'électrostimulation du cerveau pour la guérison des maladies chroniques, cet objectif est partagé par de nombreuses initiatives de recherche dans le monde : l'initiative BRAIN aux États-Unis, le Human Brain Project dans l'UE, le projet MIND au Japon et la China Brain Initiative pour ne citer qu'eux. L'enregistrement cérébral se fait à plusieurs niveaux : avec des dispositifs non invasifs ou invasifs, permettant des enregistrements intracellulaires ou extracellulaires. Les réseaux de microélectrodes (MEA) pour les expériences in vivo et in vitro offrent un compromis entre la densité d'informations (environ une ms / dizaines de µm) et la taille (plus de 100 cellules). Cependant, le MEA passif souffre d'un faible rapport signal/bruit (SNR), filtrant la détection de nombreux événements biologiques. Dans ce travail, les transistors sont étudiés comme une alternative au MEA en tant que dispositif actif avec amplification de signal sur site. Grâce à leur couplage iono-électronique, les Transistors Electrochimiques Organiques (OECT) permettent d'améliorer la transduction du signal entre la biologie et l'électronique. Les matériaux impliqués sont également des interfaces plus biocompatibles et conformes qui peuvent améliorer l'adhésion des neurones. Dans ce manuscrit, nous aborderons différentes approches allant de la problématique au niveau des circuits et des dispositifs jusqu'aux matériaux et tenterons d'aborder le couplage entre la nanotechnologie et les neurones.En particulier, l'électropolymérisation EDOT est étudiée ici pour ajuster la post-fabrication du matériau afin d'optimiser l'interface cellule/électrode. Combinés à l'imagerie optique et au Spike-Sorting, ces enregistrements améliorés de cultures neuronales 2D ont permis une estimation plus fine de la position des somas, ouvrant des possibilités pour mieux comprendre le couplage neurone-électrode. Pour une optimisation ultérieure, l'utilisation d'un monomère synthétique a montré un couplage et des performances encore plus élevés par rapport à l'EDOT pour les enregistrements extracellulaires in vitro, avec des valeurs SNR proches des microélectrodes 3D permettant de réduire les coûts et la complexité de leur processus de microfabrication. Transféré sur OECT pour adapter la détection, l'électropolymérisation s'est révélée être une technique polyvalente pour régler indépendamment leur transconductance et leur impédance, à la demande, pour répondre aux différentes exigences de détection et adapter la vitesse de fonctionnement et le bruit de l'OECT : des exigences cruciales pour l'électrophysiologie. Enfin, la nature microscopique du neurone-OECT a été étudiée pour donner une explication physique de l'interface pour avoir une base solide pour l'optimisation systématique de l'OECT. Les avantages et les inconvénients de l'utilisation de l'OECT pour les enregistrements neuronaux in vitro sont discutés sur la base des enregistrements obtenus dans ce travail, en abordant à la fois les niveaux de matériel et de dispositif pour l'intégration future de l'instrument et l'impact au niveau des circuits.Les nouveaux matériaux, processus et concepts de cette étude abordent la question de l'interface neurone/capteur. En renforçant la qualité de l'enregistrement, ce travail contribue à une meilleure compréhension de l'interaction aux niveaux neurone-microélectronique et biomolécules-nanostructures, menant à de nouvelles découvertes fondamentales tout en interfaçant l'activité électrique du cerveau

Electrophysiology is the science that studies the electrical properties of electrogenic cells and tissues to characterize their functionality, excitability, and interconnectivity as a network. In the quest for cracking the neural code, changing the way our technologies work to record and stimulate brain's electrophysiology is essential. Unlocking bottlenecks in neuroprosthesis of artificial implants or electrostimulation of brain for chronical diseases curing, this goal is shared by many research initiatives worldwide: BRAIN initiative in the US, Human Brain Project in EU, the MIND project in Japan and the China Brain Initiative to name a few. Brain recording is done at many levels: with non-invasive or invasive devices, allowing either intracellular or extracellular recordings. Microelectrode arrays (MEA) for both in-vivo and in-vitro experiments offer the best compromise between information density (about a ms / tens of µm) and size (100+ cells recorded simultaneously). However, passive MEA suffers from a low signal-to-noise ratio (SNR), screening the detection of many biological events. In this work, transistors are studied as an alternative to MEA as an active device featuring on-site signal amplification. Thanks to their specific iono-electronic coupling, Organic Electrochemical Transistors (OECT) lead to improve signal transduction between biology and electronics. The materials involved are also a more biocompatible and conformal interface that can enhance neuron adhesion. In this manuscript, we will address different approaches from the circuit and device level problematic down to the materials' and try to address on the coupling between nanotechnology and neurons.Particularly, EDOT electropolymerization is studied here to tune material's post-fabrication to optimize the cell/electrode interface. Combined with optical imaging and spike sorting, such enhanced recordings of 2D neural cultures allowed finer estimation of somas' position, opening possibilities to understand the neuron-electrode coupling better. For further optimization, the use of a synthetic monomer shown even higher coupling and performances compared to EDOT for in-vitro extracellular recordings, with SNR values close to state-of-art 3D microelectrodes', allowing lower costs and complexity in their microfabrication process. Transferred on OECT for adapting sensing, electropolymerization showed to be a versatile technique to tune their transconductance and impedance independently, on-demand, to match different sensing requirements and adapt the operation speed and noise of OECT: crucial requirements for electrophysiology. Finally, the microscopic nature of the neuron-OECT was studied to give a physical explanation of the interface for having a firm basis for the systematic optimization of OECT. The advantages and drawbacks of using OECT for in vitro neural recordings are discussed based on the recordings obtained in this work, addressing both material and device levels for future instrument integration and impact at the circuitry level.Novel materials, processes, and concepts of this study address the neuron/sensor interface issue. By enhancing/improving the recording's quality, this work contributes to a better understanding of the interaction at the neuron-microelectronic and biomolecules-nanostructures levels, leading to new fundamental discoveries while interfacing and computing the brain's electrical activity.