Growth and activity of neuronal cultures : emergence of organized behaviors

par Tanguy Fardet

Thèse de doctorat en Physique. Biophysique

Sous la direction de Pascal Monceau.

Soutenue le 18-09-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) et de Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Croissance et activité de cultures neuronales : émergence de comportements organisés.


  • Résumé

    Dans cette thèse, je propose plusieurs modèles et outils numériques afin de mieux comprendre et prédire le comportement et le développement de cultures et dispositifs neuronaux.Les cultures de neurones ont en effet été un outil précieux durant les 20 dernières années : elles ont permis de mieux comprendre la manière dont le cerveau traite les différentes informations qui lui parviennent en donnant aux scientifiques la possibilité de tester les effets de médicaments sur les neurones, ainsi que d'obtenir leurs réponses détaillées à diverses perturbations et stimuli.De plus, de récentes avancées en microfluidiques ont ouvert la voie à la conception de dispositifs neuronaux plus élaborés, rapprochant encore un peu plus la perspective du traitement de signaux complexes via des neurones in vitro.Dans une première partie, je propose un mécanisme pour expliquer les bouffées d'activité épileptiformes présentes dans les cultures, mécanisme que je formule via un modèle théorique concis. J'effectue ensuite une vérification expérimentale des prédictions du modèle sur des cultures et montre que celles-ci sont effectivement compatibles avec le comportement observé in vitro.Dans une seconde partie, je décris plus en détail la description de la dynamique spatio-temporelle du phénomène, notamment le fait que les bursts nucléent en des zones bien précises du réseau neuronal.Comme les prédictions et analyses effectuées dépendent fortement de la structure de ce réseau, je présente ensuite la réalisation d'une plateforme de simulation afin de permettre de modéliser efficacement le développement des réseaux neuronaux. Ce logiciel prend en compte les interactions entre les neurones et leur environnement et constitue la première plateforme à fournir des modèles polyvalents et complets pour décrire l'intégralité du processus de croissance neuronal. Je montre ensuite que ce simulateur est capable de générer des morphologies valides et l'utilise pour proposer des nouvelles topologies de réseaux afin de décrire les cultures de neurones. Je reproduis également des dispositifs neuronaux existants et montre que les activités entretenues par ces structures sont compatibles avec les observations expérimentales. Enfin, je discute plusieurs directions de recherche possibles, pour lesquelles l'utilisation de dispositifs neuronaux spécifiques permettrait de contourner les limitations des cultures neuronales et fournirait ainsi de nouvelles informations sur les processus sous-tendant le développement et la plasticité cérébrale


  • Résumé

    In this thesis, I provide models and numerical tools to better understand and predict the behavior and development of neuronal cultures and devices.Neuronal cultures have proven invaluable in improving our understanding of how the brain processes information, by enabling researchers to investigate neuronal and network response functions to various perturbations and stimuli.Furthermore, recent progress in microfluidics have opened the gate towards more elaborated neuronal devices, bringing us one step closer to complex signal processing with living in vitro neurons.In a first part, I propose a mechanism to explain the epileptiform bursts of activity present in cultures, mechanism which I formulate as a concise theoretical model. I subsequently test the predictions of this model on cultures and show that they are indeed compatible with the behavior observed in vitro.I further develop this description in the second part of the thesis, where I analyze its spatiotemporal dynamics and the fact that burst nucleate in specific areas in the network.Since predictions and analysis of these nucleation centers strongly depends on the network structure, I develop a simulation platform to enable efficient modeling of the network development. This software takes into account the interactions between the neurons and their environment and is the first platform to provide versatile and complete models to simulate the entire growth process of neurons. I demonstrate that this simulator is able to generate valid neuronal morphologies, then use it to propose new network topologies to describe neuronal cultures, as well as to reproduce existing neuronal devices. I then show that the activities sustained by these structures are compatible with the experimental recordings.Eventually, I discuss several future directions for which the use of neuronal devices would enable to circumvent current limitations of neuronal cultures, thus providing new information on the processes which underlie brain development and plasticity.


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