Développement neurotechnologique pour interventions cérébrales ciblées : de la microfabrication et impressions planaires et 3D des dispositifs à leurs applications

Advancing neurotechnology for targeted brain interventions : From microfabrication, planar, and 3D printing of devices to their application

• Auteur / Autrice : Rita Matta
• Direction : Rodney O'Connor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 02/05/2024
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Microélectronique de Provence
• Jury : Président / Présidente : Marie Frenea-Robin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodney O'Connor, Marie Frenea-Robin, Christian Bergaud, Rafael A. Camerini-Dávalos, Maxime Cazorla, David Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Bergaud, Rafael A. Camerini-Dávalos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression 3D

Microélectrodes

Électroporation

Épilepsie

Mots clés libres

Epilepsie

Electroporation irréversible à haute fréquence (H-FIRE)

Électrode transparente

Microélectrodes imprimées

Impression à jet d’encre

Impression 3D

Epilepsy

High-frequency irreversible electroporation (H-FIRE)

Transparent electrodes

Printed microelectrodes

Inkjet printing

3D printing

Résumé

Cette thèse examine les avancées technologiques qui pourraient révolutionner la rechercheen neurosciences et la pratique clinique. Elle se penche sur trois domaines distincts mais liés:l'utilisation de l'ablation focale dans le traitement de l'épilepsie, les électrodes transparentespour les interfaces neuronales, et l'intégration de dispositifs imprimés dans le domaine de laneurotechnologie. L'épilepsie, une maladie neurologique chronique touchant des millions depersonnes à travers le monde, est abordée. La chirurgie de résection représente un traitementefficace pour les patients résistants aux médicaments, bien qu'elle puisse entraîner des déficitsneurocognitifs.Le premier chapitre explore une alternative prometteuse à la chirurgie traditionnelle derésection appelée électroporation irréversible (IRE). L'IRE offre une précision accrue et réduitles effets secondaires indésirables en utilisant des impulsions électriques intenses sur une courtepériode afin de créer des pores dans les membranes cellulaires, entraînant ainsi la mort descellules visées. Des expérimentations in vivo menées sur des souris démontrent la faisabilitéd'une ablation ciblée des foyers épileptiques grâce à l'IRE haute fréquence (H-FIRE). Lesrésultats mettent en lumière que l'IRE H-FIRE permet d'éliminer ces foyers sans endommagerles tissus sains environnants.Les dispositifs qui facilitent l'interaction et la communication entre le système nerveux sontappelés interfaces neuronales. En permettant à la fois de détecter l'activité neuronale et destimuler les neurones, les électrodes transparentes jouent un rôle essentiel dans ces interfaces.Un autre chapitre de cette thèse se concentre sur le développement d'électrodes transparentesen PEDOT:PSS (poly(3,4-éthylènedioxythiophène):poly(styrène sulfonate)). Ce matériau à lafois conducteur et transparent offre la possibilité d’être imprimé par jet d'encre pour créer desélectrodes transparentes, personnalisées et précises. Les mesures des champs électriquesconfirment leur potentiel pour diverses applications, tandis que les résultats suggèrent que lesélectrodes en PEDOT:PSS ont la capacité de stimuler les neurones.Enfin, la dernière section de la thèse introduit une approche novatrice pour traiter l'épilepsie àl'aide de microélectrodes-aiguilles en 3D. Ces électrodes sont spécialement conçues pour la5stimulation plus profonde du cerveau, représentant une méthode prometteuse dans le traitementde l'épilepsie permettant une stimulation précise et ciblée des foyers épileptiques afin de réduireles crises. Les microélectrodes-aiguilles 3D ont été fabriquées par impression 3D et évaporationd'or, puis soumises à des tests électrochimiques pour évaluer leur performance, démontrant desrésultats satisfaisants. Il convient de souligner que la recherche sur l'application de cesmicroélectrodes à la stimulation profonde du cerveau dans le cadre du traitement de l'épilepsieest encore à un stade préliminaire. Des expérimentations in vivo sont prévues pour évaluerl'efficacité et la sûreté de cette technologie dans le traitement de l'épilepsie.Pour conclure, cette thèse a examiné trois domaines d'innovation très prometteurs : l'IRE H-FIRE qui propose une alternative à la chirurgie de résection pour l'épilepsie, avec des résultatsinitiaux encourageants chez la souris, les électrodes transparentes en PEDOT:PSS favorisant lastimulation neuronale et ouvrant la voie à de nouvelles applications, et les microélectrodes-aiguilles 3D offrant une précision accrue pour la stimulation cérébrale profonde dans letraitement de l'épilepsie. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer leurefficacité et leur sûreté, mais il est indéniable que leur potentiel dans le traitement des maladiesneurologiques est considérable.

This thesis examines technological advances that could revolutionize neuroscience research and clinical practice. It explores three distinct but related areas:the use of focal ablation in the treatment of epilepsy, transparent electrodes for neuronal interfaces, and the integration of printed devices in the field ofneurotechnology. Epilepsy, a chronic neurological disease affecting millions of people around the world, is discussed. Resection surgery is an effectivetreatment for drug-resistant patients, although it may cause neurocognitive deficits.The first chapter explores a promising alternative to traditional resection surgery called irreversible electroporation (IRE). IRE provides increased accuracyand reduces unwanted side effects by using intense electrical pulses over a short period of time to create pores in cell membranes, resulting in the death ofthe targeted cells. In vivo experiments in mice demonstrate the feasibility of targeted ablation of epileptic foci using high-frequency IRE (H-FIRE). The resultshighlight that the IRE H-FIRE eliminates these foci without damaging the surrounding healthy tissuesDevices that facilitate interaction and communication between the nervous system are called neural interfaces. By both detecting neuronal activity andstimulating neurons, transparent electrodes play an essential role in these interfaces. Another chapter of this thesis focuses on the development oftransparent electrodes from PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)). This conductive and transparent material offers thepossibility of being inkjet printed to create transparent, personalized and precise electrodes. Measurements of electric fields confirm their potential for variousapplications, while the results suggest that PEDOT:PSS electrodes have the ability to stimulate neurons.Finally, the last section of the thesis introduces an innovative approach to treat epilepsy using 3D microelectrodes (MEAs). These electrodes are speciallydesigned for a deeper brain stimulation, representing a promising method in the treatment of epilepsy, allowing for precise and targeted stimulation ofepileptic foci to reduce seizures. The 3D MEAs were manufactured by 3D printing and gold evaporation, and then subjected to electrochemical tests toevaluate their performance, demonstrating satisfactory results. It should be noted that research into theapplication of these microelectrodes to deep brainstimulation in the treatment of epilepsy is still at a preliminary stage. In vivo experiments are planned to evaluate the effectiveness and safety of thistechnology in the treatment of epilepsy.To conclude, this thesis examined three very promising areas of innovation: the H-FIRE IRE which offers an alternative to resection surgery for epilepsy,with encouraging initial results in mice, transparent electrodes in PEDOT:PSS promotes neuronal stimulation and paves the way for new applications, and3D micro-needle electrodes provide increased precision for deep brain stimulation in the treatment of epilepsy. Further research is needed to confirm their effectiveness and safety,but it is undeniable that their potential in the treatment of neurological diseases is considerable.