Thèse de Dimitri Henniquau

“Conception d’une interface fonctionnelle permettant la communication de neurones artificiels et biologiques
pour des applications dans le domaine des neurosciences”

Soutenance de thèse : 14 décembre à 10h
Amphithéâtre de l’IEMN – Laboratoire central (LCI) – Villeneuve d’Ascq

Jury :

Cécile DELACOUR, Chargée de Recherche, Institut Néel, Université de Grenoble, Rapporteuse
Sylvie RENAUD, Professeure des universités, Laboratoire IMS, Université de Bordeaux, Rapporteuse
Serge BERNARD, Directeur de Recherche, LIRMM, Université de Montpellier, Examinateur
Marc PANANCEAU, Maître de Conférence, NeuroPSI, Université Paris-Saclay, Examinateur
Jean-Pierre VILCOT, Directeur de Recherche, IEMN, Université de Lille, Examinateur
Virginie HOEL, Professeure des universités, IEMN, Université de Lille, Directrice de thèse
Christel VANBESIEN-MAILLIOT, Maître de Conférences, IEMN, Université de Lille, Directrice de thèse
Alexis VLANDAS, Chargé de Recherche, IEMN, Université de Lille, Encadrant de thèse

Résumé :

L’ingénierie neuromorphique est un nouveau champ disciplinaire en plein essor qui fait appel à des compétences en électronique, mathématiques, informatique et en ingénierie biomorphique dans le but de produire des réseaux de neurones artificiels capables de traiter les informations à la manière du cerveau humain. Ainsi, les systèmes neuromorphiques offrent non seulement des solutions plus performantes et efficientes que les technologies actuelles de traitement de l’information mais permettent également d’envisager le développement de stratégies thérapeutiques inédites dans le cadre de dysfonctionnements cérébraux pathologiques.
Le groupe Circuits Systèmes Applications des Micro-ondes (CSAM) de l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) dans lequel ces travaux de thèse ont été effectués a contribué à l’émergence de ces systèmes neuromorphiques en développant une boîte à outils complète de neurones et synapses artificiels. Pour intégrer l’ingénierie neuromorphique dans la prise en charge de dysfonctionnements neuronaux pathologiques, il convient d’interfacer les neurones artificiels et les neurones vivants afin d’assurer une communication réelle entre ces différents composants. Dans ce contexte, et en utilisant les outils innovants développés par le groupe CSAM, l’objectif de ce travail de thèse a été de concevoir et réaliser une interface fonctionnelle permettant d’établir une boucle de communication bidirectionnelle entre des neurones artificiels et des neurones vivants. Les neurones artificiels développés par le groupe CSAM sont réalisés en technologie CMOS et capables d’émettre des signaux électriques biomimétiques. Les neurones vivants sont issus de cellules PC12 différenciées.
Une première étape de ce travail a consisté à modéliser et à simuler cette interface entre neurones artificiels et vivants ; une deuxième partie de la thèse a été dédiée à la fabrication et à la caractérisation d’interfaces neurobiohybrides, ainsi qu’à la croissance et à la caractérisation de neurones vivants, avant d’étudier leur capacité à communiquer avec des neurones artificiels. Ainsi, un modèle de membrane neuronale représentant un neurone vivant interfacé avec une électrode métallique planaire a été développé. L’exploitation de ce modèle a permis de montrer qu’il est possible de stimuler des neurones vivants en utilisant les signaux biomimétiques issus du modèle de neurones artificiels tout en conservant des tensions d’excitation faibles. L’utilisation de faibles tensions d’excitation permettrait d’améliorer l’efficacité énergétique des systèmes neurobiohybrides intégrant des neurones artificiels et d’amoindrir le risque d’endommager les tissus vivants. Ensuite, le neurobiohybride permettant d’interfacer les neurones vivants et les neurones artificiels a été conçu et réalisé. Une caractérisation expérimentale de cette interface a permis de valider l’approche consistant à exciter un neurone vivant au travers d’une électrode métallique planaire. Enfin, des cellules neuronales vivantes issues de cellules PC-12 ont été cultivées et différenciées dans les neurobiohybrides. Une preuve expérimentale de la capacité des signaux électriques biomimétiques produits par les neurones artificiels a ainsi pu être apportée par la technique d’imagerie calcique.
En conclusion, les travaux présentés dans ce manuscrit établissent clairement la preuve de concept de l’excitation de neurones vivants par un signal biomimétique dans nos conditions expérimentales et étayent ainsi la première partie de la boucle de communication bidirectionnelle entre neurones artificiels et neurones vivants.

Abstract:

Neuromorphic engineering is a new and rapidly growing field of study that calls upon skills in electronics, mathematics, computer science and biomorphic engineering in order to produce artificial neural networks capable of processing information in the manner of the human brain. Thus, neuromorphic systems not only offer more powerful and efficient solutions than current information processing technologies, but also allow the development of novel therapeutic strategies for pathological brain dysfunctions.
The Circuits Systems Applications of Microwaves (CSAM) group of the Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnologies (IEMN) where this thesis work was carried out has contributed to the emergence of these neuromorphic systems by developing a complete toolbox of artificial neurons and synapses. In order to integrate neuromorphic engineering in the management of pathological neuronal dysfunctions, it is necessary to interface artificial neurons and living neurons in order to ensure a real communication between these different components. In this context, and using the innovative tools developed by the CSAM group, the objective of this thesis work was to design and realize a functional interface allowing to establish a bidirectional communication loop between artificial and living neurons. The artificial neurons developed by the CSAM group are made of CMOS technology and are capable of emitting biomimetic electrical signals. The living neurons are derived from differentiated PC12 cells.
A first step of this work consisted in modeling and simulating this interface between artificial and living neurons; a second part of the thesis was dedicated to the fabrication and characterization of neurobiohybrid interfaces, as well as to the growth and characterization of living neurons, before studying their capacity to communicate with artificial neurons. Thus, a neuronal membrane model representing a living neuron interfaced with a planar metal electrode was developed. The exploitation of this model allowed us to show that it is possible to stimulate living neurons using the biomimetic signals from the artificial neuron model while maintaining low excitation voltages. The use of low excitation voltages would improve the energy efficiency of neurobiohybrid systems incorporating artificial neurons and reduce the risk of damaging living tissue. Then, the neurobiohybrid allowing to interface the living neurons and the artificial neurons was designed and realized. An experimental characterization of this interface allowed to validate the approach consisting in exciting a living neuron through a planar metallic electrode. Finally, live neuronal cells derived from PC-12 cells were cultured and differentiated in the neurobiohybrids. An experimental proof of the capacity of the biomimetic electrical signals produced by the artificial neurons could thus be provided by the calcium imaging technique.
In conclusion, the work presented in this manuscript clearly establishes the proof of concept of the excitation of living neurons by a biomimetic signal under our experimental conditions and thus supports the first part of the bidirectional communication loop between artificial and living neurons.