Un cerveau sur une puce : reconstruire in vitro des réseaux neuronaux multi-nodaux pour la modélisation des maladies neurodégénératives

Brain on a chip : to reconstruct multi-nodal neuronal networks in vitro for neurodegenerative disease modelling

• Auteur / Autrice : Teng Pan
• Direction : Jean-Michel Peyrin, Catherine Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 24/05/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Rachel Sherrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ayako Yamada
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Charlot, Devrim Kilinc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies neurodégénératives

Alpha-synucléine

Microfluidique

Systèmes sur puce

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Cerveau sur puce

Réseaux neuronaux

Microfluidique

Microfabrication

Alpha-synucléine

Modélisation des maladies neurodégénératives

Infections aux prionoides

Synapse

Brain on a chip

Neural network

Neurodegenerative disease modeling

Résumé

Les organes sur puce (OoC) sont des systèmes miniaturisés basés sur la microfluidique qui permettent de reproduire la dynamique, les fonctions et les réponses physiologiques et pathologiques de mini-organes dans un micro-environnement contrôlé. Le cerveau est un organe majeur pour l'étude des maladies neurodégénératives, et le schéma de propagation des NDD dans le cerveau reste peu clair. Ainsi, la reconstruction de réseaux neuronaux sur une puce pourrait fournir une plateforme pour comprendre les mécanismes de propagation de ces maladies. Pour construire des réseaux neuronaux dans de tels systèmes miniatures, il faut tenir compte de l'unidirectionnalité du réseau neuronal et de l'efficacité des connexions entre les nœuds. Dans ma thèse de doctorat, j'ai d'abord montré la construction in vitro d'un réseau neuronal cortico-striatal unidirectionnel en utilisant des techniques de patterning dans le moule. J'ai ensuite vérifié la connectivité et la fonctionnalité du réseau neuronal par imagerie calcique et coloration par immunofluorescence. Afin de modéliser les mécanismes de propagation des maladies neurodégénératives. Afin de modéliser les mécanismes de propagation des maladies neurodégénératives, j'ai utilisé de l'a-synucléine pour infecter les réseaux neuronaux et j'ai observé de la synucléine phosphorylée dans les réseaux neuronaux. En outre, j'ai montré deux nouvelles méthodes de fabrication des puces pour améliorer la survie des neurones dans les puces. Globalement, les réseaux neuronaux sur puce pourraient offrir davantage de possibilités pour l'étude des maladies neurodégénératives.

Organ-on-a-chip (OoC) is a microfluidic-based miniaturized system that enables to mimic dynamics, functions, physiological and pathological responses of mini-organs in a controlled microenvironment. The brain is a major organ for studying neurodegenerative diseases, and the pattern of NDD propagation in the brain remains unclear. Thus, reconstructing neural networks on a chip could provide a platform for understanding the spreading mechanisms of these diseases. Building neural networks in such miniature systems require addressing the neural network's unidirectionality and the efficiency of the connections between the nodes. In my PhD thesis, I first showed in vitro construction of a unidirectional cortico-striatal neural network using in-mold patterning technics. Then I verified the neural network's connectivity and functionality by calcium imaging immunofluorescence staining. Further, multi-node neural networks were constructed as well. In order to model the propagation mechanisms of neurodegenerative diseases. I used a-synuclein to infect neural networks and observed phosphorylated synuclein in the neural networks. In addition to this, I showed two new methods of fabricating chips to improve the survival of neurons in the chips. Overall, neural networks on a chip could offer more possibilities for studying neurodegenerative diseases.