M. GHAZAL
Soutenance : 16 Décembre 2022
Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes, Université de Lille, ENGSYS Sciences de l’ingénierie et des systèmes
Associated project: RENATECH
Summary:
L’électrophysiologie est la science qui étudie les propriétés électriques des cellules et des tissus électrogéniques, afin de caractériser leur fonctionnalité, leur excitabilité et leur interconnectivité en tant que réseau. Dans la quête pour déchiffrer le code neuronal, il est essentiel de changer la façon dont nos technologies fonctionnent pour enregistrer et stimuler l’électrophysiologie du cerveau. Débloquer les goulots d’étranglement dans les neuroprothèses d’implants artificiels ou l’électrostimulation du cerveau pour la guérison des maladies chroniques, cet objectif est partagé par de nombreuses initiatives de recherche dans le monde : l’initiative BRAIN aux États-Unis, le Human Brain Project dans l’UE, le projet MIND au Japon et la China Brain Initiative pour ne citer qu’eux. L’enregistrement cérébral se fait à plusieurs niveaux : avec des dispositifs non invasifs ou invasifs, permettant des enregistrements intracellulaires ou extracellulaires. Les réseaux de microélectrodes (MEA) pour les expériences in vivo et in vitro offrent un compromis entre la densité d’informations (environ une ms / dizaines de µm) et la taille (plus de 100 cellules). Cependant, le MEA passif souffre d’un faible rapport signal/bruit (SNR), filtrant la détection de nombreux événements biologiques. Dans ce travail, les transistors sont étudiés comme une alternative au MEA en tant que dispositif actif avec amplification de signal sur site. Grâce à leur couplage iono-électronique, les Transistors Electrochimiques Organiques (OECT) permettent d’améliorer la transduction du signal entre la biologie et l’électronique. Les matériaux impliqués sont également des interfaces plus biocompatibles et conformes qui peuvent améliorer l’adhésion des neurones. Dans ce manuscrit, nous aborderons différentes approches allant de la problématique au niveau des circuits et des dispositifs jusqu’aux matériaux et tenterons d’aborder le couplage entre la nanotechnologie et les neurones. En particulier, l’électropolymérisation EDOT est étudiée ici pour ajuster la post-fabrication du matériau afin d’optimiser l’interface cellule/électrode. Combinés à l’imagerie optique et au Spike-Sorting, ces enregistrements améliorés de cultures neuronales 2D ont permis une estimation plus fine de la position des somas, ouvrant des possibilités pour mieux comprendre le couplage neurone-électrode. Pour une optimisation ultérieure, l’utilisation d’un monomère synthétique a montré un couplage et des performances encore plus élevés par rapport à l’EDOT pour les enregistrements extracellulaires in vitro, avec des valeurs SNR proches des microélectrodes 3D permettant de réduire les coûts et la complexité de leur processus de microfabrication. Transféré sur OECT pour adapter la détection, l’électropolymérisation s’est révélée être une technique polyvalente pour régler indépendamment leur transconductance et leur impédance, à la demande, pour répondre aux différentes exigences de détection et adapter la vitesse de fonctionnement et le bruit de l’OECT : des exigences cruciales pour l’électrophysiologie. Enfin, la nature microscopique du neurone-OECT a été étudiée pour donner une explication physique de l’interface pour avoir une base solide pour l’optimisation systématique de l’OECT. Les avantages et les inconvénients de l’utilisation de l’OECT pour les enregistrements neuronaux in vitro sont discutés sur la base des enregistrements obtenus dans ce travail, en abordant à la fois les niveaux de matériel et de dispositif pour l’intégration future de l’instrument et l’impact au niveau des circuits. Les nouveaux matériaux, processus et concepts de cette étude abordent la question de l’interface neurone/capteur. En renforçant la qualité de l’enregistrement, ce travail contribue à une meilleure compréhension de l’interaction aux niveaux neurone-microélectronique et biomolécules-nanostructures, menant à de nouvelles découvertes fondamentales tout en interfaçant l’activité électrique du cerveau
Abstract:
Electrophysiology is the science that studies the electrical properties of electrogenic cells and tissues to characterize their functionality, excitability, and interconnectivity as a network. In the quest to decipher the neural code, it is essential to change the way our technologies work to record and stimulate brain electrophysiology. Unlocking bottlenecks in artificial implant neuroprosthetics or brain electrostimulation for healing chronic diseases, this goal is shared by many research initiatives around the world: the BRAIN Initiative in the US, the Human Brain Project in the EU, the MIND project in Japan and the China Brain Initiative to name a few. Brain recording is done at several levels: with non-invasive or invasive devices, allowing intracellular or extracellular recordings. Microelectrode arrays (MEAs) for in vivo and in vitro experiments offer a compromise between information density (about one ms / tens of µm) and size (more than 100 cells). However, the passive MEA suffers from a low signal-to-noise ratio (SNR), filtering the detection of many biological events. In this work, transistors are studied as an alternative to MEA as an active device with on-site signal amplification. Due to their ion-electronic coupling, Organic Electrochemical Transistors (OECTs) allow for improved signal transduction between biology and electronics. The materials involved are also more biocompatible and compliant interfaces that can improve neuron adhesion. In this manuscript, we will address different approaches ranging from circuit and device level issues to materials and attempt to address the coupling between nanotechnology and neurons. In particular, EDOT electropolymerization is studied here to adjust the post-fabrication of the material to optimize the cell/electrode interface. Combined with optical imaging and Spike-Sorting, these improved recordings of 2D neuronal cultures allowed for a more refined estimation of soma position, opening up possibilities to better understand neuron-electrode coupling. For further optimization, the use of a synthetic monomer showed even higher coupling and performance compared to EDOT for in vitro extracellular recordings, with SNR values close to 3D microelectrodes allowing to reduce the cost and complexity of their microfabrication process. Transferred to OECT to tailor detection, electropolymerization has proven to be a versatile technique to independently adjust their transconductance and impedance, on demand, to meet different detection requirements and tailor the operating speed and noise of OECT: crucial requirements for electrophysiology. Finally, the microscopic nature of the neuron-OECT was studied to give a physical explanation of the interface to have a solid basis for systematic optimization of the OECT. The advantages and disadvantages of using OECT for in vitro neuronal recordings are discussed based on the recordings obtained in this work, addressing both hardware and device levels for future integration of the instrument and the impact at the circuit level. The new materials, processes, and concepts in this study address the neural/sensor interface. By enhancing the quality of the recording, this work contributes to a better understanding of the interaction at the neuron-microelectronic and biomolecule-nanostructure levels, leading to new fundamental discoveries while interfacing the electrical activity of the brain