Développement de nouvelles matrices de micro-électrodes pour l’analyse et la compréhension du système nerveux central, Development of new Micro Electrode Array to understand dynamics of large neural network

Lionel Rousseau

Description

Sous la direction de Gaëlle Lissorgues
Thèse soutenue le 13 janvier 2010: Paris Est
La compréhension et l'étude du système nerveux est un des grands enjeux du XXIème siècle à la fois pour la recherche fondamentale, mais également pour la mise au point de neuroprothèses implantables pour la réhabilitation fonctionnelle (exemple : implants rétiniens, implants cochléaires). Depuis quelques années, des systèmes basés sur l'utilisation de multi-électrodes (MEA : Multi-Electrode-Array) offrent la possibilité d'enregistrer des milliers de cellules interconnectées entre-elles sur plusieurs jours sur des tranches de tissu nerveux ou des systèmes nerveux complets. Mais une des limites de cette technique est le faible nombre de voies de ces systèmes (64 voies). Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une technologie de fabrication permettant la réalisation d'un système multiélectrode s « haute densité 3D ». Cela passe par le développement d'une nouvelle technologie dans la réalisation de micro pointes basée sur la gravure profonde du silicium (DRIE), qui permet d'obtenir des pointes en silicium de 80 µm de haut espacées de 50 µm. Des matrices 60, 256 et 1024 voies ont été fabriquées par cette technique. L'utilisation de la stimulation est aussi un point important dans l'étude de ces grands réseaux, mais il n'est pas possible actuellement de disposer de système permettant une stimulation focale. Pour résoudre ce problème, nous avons développé des matrices spécifiques permettant d'obtenir des stimulations focales du tissu. Nous avons également dans ces travaux de thèse étudié le comportement de l'interface métal/liquide, qui est cruciale pour la réalisation de MEA, en utilisant des techniques d'électrochimie
-Matrices
-Système nerveux central
-Neuroprothèses
-Silicium composés
-Électrochimie
-Optoélectronique
-Microélectrodes
One challenge of the XXIème century will be to understand dynamics of large neural networks for research and to develop neuroprothesis implant (ex retinal implant, cochlear implant). Today microelectrodes arrays (MEAs) positioned in contact with the neural tissue offer the opportunity to record and simulate neuronal tissue. But the main drawback of his technique is low number of recording sites (typically 64). During this thesis, we have developed a specific process using deep reactive ions etching (DRIE), to achieve high density 3D MEAs containing several hundreds of microelectrodes. We have fabricated microneedles 80 µm of height with spacing of 50 µm and MEAs with 60 – 256 and 1024 microelectrodes have been built with this process. Microstimulation, which makes use of electrodes on the micron scale, is gaining increasing interest in both fundamental and clinical research, opening the possibility to stimulate small groups of neurons instead of large regions. However, controlling the spatial extent of microstimulation to achieve focal activation of neuron networks is a challenge. We have proposed a new configuration of MEA specifically designed to achieve a local stimulation. We have also characterised the interface metal/liquid, that was very important for MEA and we have used electrochemistry techniques
-Matrices
-Central nervous system
-Prosthesis
-Silicon compounds
-Electrochemical
-Electrooptics
-Microelectrodes
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1039/document

Sujets

• Système nerveux central
• Électrochimie
• Opto-électronique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 89
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

Ecole Doctorale : ICMS
THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est

Spécialité : Electronique, Traitement du signal

présentée et soutenue publiquement par

Lionel Rousseau

le 13 Janvier 2010

Développement de nouvelles matrices de micro-électrodes pour l’analyse
et la compréhension du système nerveux central

Directeur de thèse
Prof. Gaëlle LISSORGUES
Jury

Pere ROCA i CABARROCAS Professeur LPICM Rapporteur
Bruno LE PIOUFLE Professeur ENS Cachan Rapporteur
Président Alexander KUHN Professeur ESNCPB Examinateur
Christophe POUZAT Professeur CNRS UMR8118 Chargé de recherche
Odile PICON Professeur univ Paris-EST Examinateur
Gaëlle LISSORGUES Professeur, ESIEE –Paris Directeur de thèse
Invités
Blaise YVERT Professeur CNRS UMR 5228 Chargé de recherche
Bruno MERCIER Ingénieur ESIEE-Paris
© UPE
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Á ma femme Isabelle,
Á mes filles Amélie et Mélanie,
Á mes Parents,
En souvenir de Mathias,
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tel-00598282, version 1 - 6 Jun 2011Remerciements




Voilà nous y sommes : c’est la fin de cette thèse, il s’est passé tellement de choses
pendant ces trois ans.

me
En premier, toute ma gratitude à M Odile Picon, Responsable du Laboratoire
ESYCOM, pour son soutien et son accord lors de mon inscription à l’école doctorale de
l’université de Marne la Vallée.

me Mes plus sincères remerciements et toute mon amitié à M Gaëlle Lissorgues qui a
accepté d’être ma directrice de thèse et m’a supporté comme doctorant et collègue.

r r
Je remercie M Fabrice Venturati et M Sébastien Soriot, ensemble nous avons
rtravaillé et démarré ce programme, également M Vincent Perais (ViVi) qui pendant trois ans
s’est penché sur ce sujet et avec qui j’ai partagé de grands moments aux US ainsi que dans le
TGV.……

Une pensée particulière à tous ceux de l’équipe du CEA/List/LCD qui m’ont initié à
rsl’électrochimie et particulièrement M Philippe Bergonzo, Emmanuel Scorsonne, Jacques De
lle rSanoit, M Emilie Van Hove et M Alexandre Bongrain. Merci pour leurs conseils judicieux
et les heures passées devant le potentiostat à regarder des courbes de CV et d’EIS.

r
M Blaise Yvert, sans qui rien n’aurait été possible, je me souviens de cette réunion en
2002 où il était venu nous présenter ce projet sur les MEA. Projet qui a donné suite à d’autres
programmes et j’espère encore nombreux). Qu’il soit remercié pour le temps qu’il a consacré
à me décrire le fonctionnement des neurones et le principe de l’électrophysiologie.

Je n’oublie pas Mr Bruno Mercier, responsable du SMM (Service pour la Micro-
électronique et les Microsystèmes) qui m’a soutenu au cours de ces trois années et qui a su
trouver les mots lorsque « c’était difficile ». J’associe également toutes les personnes du
SMM qui m’ont entouré durant cette thèse.

rUne pensée particulière pour M Mathias Bonnauron doctorant au LCD et ancien élève
d’ESIEE-PARIS avec qui j’ai longuement échangé au début de cette thèse. Il nous a mal-
heureusement quitté, mais je tiens ici à saluer son souvenir.

Enfin que soit remerciées ma femme et mes filles pour leurs patiences dont elles ont
fait durant ces trois années Je n’aurai bientôt plus d’excuse pour le bricolage du week-end …
et ne pourrai plus dire : « Je ne peux pas, j’ai ma thèse à rédiger ».

Je ne voudrai pas terminer sans citer mes parents qui m’ont soutenu pendant ces trois
années. Eux qui étaient bien inquiets sur mon avenir il y a déjà plus de vingt ans.

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tel-00598282, version 1 - 6 Jun 2011Table des matières

Lexique

Introduction

I Les neurosciences p. 3

I-1 L’histoire des neurosciences p. 4
I-1-1 L’Antiquité p. 4
I-1-2 La Renaissance p. 5
I-1-3 Le Siècle des Lumières p. 6
I-1-4 La révolution industrielle et scientifique p. 7
e
I-1-5 Le XX Siècle p. 10

II Conclusion p. 13
Références p. 15

Chapitre I : Description du fonctionnement du système
nerveux central

I Les Neurones p. 18

II Le potentiel de membrane p. 21
II-1 Effet des canaux ioniques sur le potentiel de membrane p. 21

III Le potentiel d’action p. 25

IV Modèle de Hodgkin et Huxley p. 27
IV-1 Remarque : maintien des concentrations ioniques p. 29

V Propagation du potentiel d’action p. 30

VI Synapses p. 32
VII Le corps cellulaire : intégrateur des signaux synaptiques p. 34
VIII Conclusion p. 36
Références p. 39

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Chapitre II : Les techniques d’analyse du SNC

I L’analyse non invavise p. 43

I-1 L’Electro Encéphalo Gramme (EEG) p. 43
I-2 La Magnéto Encéphalographie (MEG) - 1972 p. 44
I-3 Le scanner X - 1968 p. 45
I-4 Tomographie par émission de positons (TEP) - 1975 p. 46
I-5 Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) - 1973 p. 47
I-6 Récapitulatif p. 49

II L’analyse invasive p. 51

II-1 Analyse Intracellulaire p. 51
II-1-1 Voltage imposé – voltage Clamp (1940) p. 51
II-1-2 Patch Clamp (1970) p. 52
II-2 Analyse Extracellulaire p. 54
II-2-1 Les matrices de micro électrodes (Micro Electrode Array : MEA) p. 54
II-3 Récapitulatif p. 59
III Les enjeux des MEA p. 62
Références p. 62














tel-00598282, version 1 - 6 Jun 2011Chapitre III : Développement et réalisation de MEA

I. Etude et réalisation de pointes p. 67

I-1 Réalisation de pointes sur substrat en verre p. 67
I-1-1 Principe de la gravure verre p. 67
I-1-2 Influence de la couche d’accroche p. 70
I-1-3 Problèmes et limites de cette technique
pour de la réalisation de pointes sur substrat en verre p. 73

I-2 Réalisation de pointes sur substrat en silicium p. 74
I-2-1 Gravure anisotrope liquide sur substrat de silicium p. 74

I-3 Récapitulatif p. 77

II Gravure plasma p. 77

II-1 Réacteur à plasma p. 78
II-1-1 Introduction p. 78
II-1-2 Réacteur à plasma radio fréquence (RF) p. 80
II-1-3 Gravure Plasma RIE (Reactive Ion Etching) p. 82
II-1-4 Réacteur DRIE p. 83

III Réalisation de pointes par gravure DRIE p. 86
III-1 Gravure isotrope par DRIE p. 86
III-1-1 Réalisation de pointes par gravure isotrope p. 91
III-2 Alternance de gravure isotrope et anisotrope p. 95
III-3 Obtention de pointes par effet parasite ARDE
(Aspect Ratio Dependent Etching) p. 95
III-4 Récapitulatif p. 99
IV Fabrication de MEA p. 100
IV-1 Généralités p. 100
IV-2 MEA 60 p. 101
IV-2-1 Caractéristiques des MEA 60 voies p. 101
IV-2-2 Fabrication matrice 60 voies avec pointes p. 102

IV-3 MEA 256 p. 105
IV-3-1 Caractéristiques des MEA 256 voies p. 105
IV-3-2 Fabrication des MEA 256 voies p. 106

IV-4 MEA 1024 p. 110
IV-4-1 Caractéristiques des MEA 1024 voies p. 110
IV-4-2 Réalisation d’une soudure basse température p. 111
tel-00598282, version 1 - 6 Jun 2011 IV-4-3 Fabrication des MEA 1024 voies p. 114

V. MEA pour la stimulation focale p. 116
V-1 Enjeux de la stimulation focale p. 116
V-2 Fabrication des MEA avec stimulation focale p. 117
VI Conclusion p. 119
Références p.121

























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