Plateforme bio-hybride neurocardiaque pour une approche électroceutique

Biohybrid neurocardiac platform for an electroceutical approach

• Auteur / Autrice : Pierre-Marie Faure
• Direction : Timothée Lévi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 13/11/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Dallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Larrieu, Noëlle Lewis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michela Chiappalone, Takashi Kohno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes virtuels (informatique)

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Système nerveux autonome

Cardiomyocytes

Maladies cardiovasculaires

Mots clés libres

Maladies cardiovasculaires

Plateforme bio-hybride

Cardiomyocytes

Système nerveux autonome

FPGA

Cardiovascular diseases

Biohybrid platform

Cardiomyocytes

Autonomic nervous system

FPGA

Résumé

Aujourd'hui, les maladies cardiovasculaires constituent la cause principale de la mortalité dans le monde tandis que leur prévalence continuera a augmenter dans les années à venir de par l'évolution des modes de vie et de la démographie. Parmi ces maladies, les insuffisances cardiaques touchent le mécanisme de génération du battement cardiaque. Celui implique le système nerveux qui interagit avec le système cardionecteur pour générer le signal électrique à l'origine du rythme cardiaque. Afin de mieux étudier ces maladies et proposer les bases d'une solution thérapeutique, une plateforme capable de reproduire les mécanismes impliqués dans un coeur sain est développée au cours de cette thèse. Cette solution a pour vocation de s'appuyer sur des modèles cellulaires les plus plausibles possible dans l'idée de cibler un large spectre de phénomènes biologiques tout en y incorporant une capacité de calcul en temps-réel. Cette méthodologie permet d'insérer ainsi la plateforme dans un milieu bio-hybride où les entrées et sorties de la plateforme peuvent être indistinctement d'origine biologique ou artificielle. Ainsi, la plateforme a la possibilité de s'insérer dans une multitude d'environnements tout en facilitant sa mise en oeuvre. De par son implémentation, elle offre de surcroît un environnement réplicable et malléable propice à l'étude du fonctionnement de l'axe neurocardiaque et une intégration dans des solutions thérapeutiques sur le plus long terme. Pour démontrer cet ensemble de capacités, des vérifications ont été réalisés avec l'utilisation en entrée de l'activité électrique de réseaux de neurones pour reproduire le système nerveux tandis qu'en sortie ont été placé des cardiomyocytes représentant la partie cardiaque. Ces dispositifs expérimentaux ont été conçu dans le but de s'approcher du fonctionnement de l'axe neurocardiaque tel qu'il existe dans l'organisme.

Today, cardiovascular disease is the world's leading cause of death, and its prevalence will continue to rise in the years to come due to changing lifestyles and demographics. Among these diseases, heart failure affects the heartbeat generation mechanism. This involves the nervous system, which interacts with the cardiac conduction system to generate the heartbeat. In order to better study these diseases and lay the foundations for a therapeutic solution, a platform capable of reproducing the mechanisms involved in a healthy heart is being developed during the course of this thesis. This solution is based on the most plausible cellular models possible, with the aim of targeting a broad spectrum of biological phenomena, while incorporating real-time computing capability. This methodology makes it possible to insert the platform into a bio-hybrid environment, where the platform's inputs and outputs can be of either biological or arti cial origin. In this way, the platform can be incorporated into a multitude of environments, making it easy to deploy. Its implementation also provides a replicable and malleable environment for studying the functioning of the neurocardiac axis, and for integration in therapeutic solutions over the long-term. To demonstrate this set of capabilities, tests were carried out using the electrical activity of neural networks as input to mimic the nervous system, while cardiomyocytes were used as output to act as cardiac part. These experimental setups were designed to approximate the functioning of the neurocardiac axis as it exists in the body.