Dispositif électro-optique à base de cristaux liquides pour la détection de l'activité neuronale in vitro

Liquid crystal based electro-optical device for large scale in vitro neural activity monitoring

• Auteur / Autrice : Tiphaine Belloir
• Direction : Jumana Boussey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 29/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Charlot, Catherine Villard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurones

Microcapteurs

Dispositifs optoélectroniques

Cristaux liquides

Mots clés libres

Cristaux liquide

Capteur

Réseaux de neurone in vitro

Activité neuronale

Microfabrication

Microfluidique

Liquid crystal

Sensor

In vitro neural network

Neural activity

Microfabrication

Microfluidic

Résumé

Les réseaux de neurones in-vitro permettent de modéliser les structures et les fonctions observées dans le cerveau humain. Accéder à l’activité individuelle des neurones sur l’ensemble d’un réseau est un réel défi en neuroscience pour mieux comprendre la complexité des processus qui régissent la communication neuronale. Les techniques actuelles d’enregistrement in vitro (électrophysiologie, imagerie calcique ou encore MicroElectrode ARray) souffrent d’un compromis systématique entre la résolution et la quantité de neurones détectables simultanément (i.e. le champ d’observation).L’objectif de cette thèse est de lever cette contrainte en développant une nouvelle technique d’enregistrement de l’activité neuronale in vitro. L’approche proposée consiste à interfacer les neurones en culture in vitro à un transducteur électro-optique novateur à base de cristaux liquides, capable de convertir les signaux électriques issus de l‘activité neuronale en variation d’intensité optique. Couplé à un capteur imageur adapté (sans lentille de type CMOS, d’une surface de quelques cm² contenant plusieurs millions de pixels, avec une résolution subcellulaire de l’ordre du µm²), ce dispositif devrait permettre l’enregistrement de l’activité neuronale d’un réseau complexe (plusieurs millions de neurones) de manière non invasive (aucun marquage n’est requis), et à la résolution du neurone unique.Une étude théorique couplée à un modèle électrique équivalent a montré que les caractéristiques de détection du dispositif complet (transducteur + capteur optique) étaient en théorie adaptées pour la détection de signaux neuronaux.Un premier prototype a été entièrement élaboré et le procédé de fabrication détaillé. Des caractérisations optiques et électro-optiques ont été menées, validant le fonctionnement même du transducteur et sa fonction d’interrupteur optique variable électriquement contrôlé. Le développement d’une nouvel outil microfluidique chargé d’approfondir les caractérisations et d’évaluer la capacité du dispositif à détecter un champ électrique local équivalent à un signal neuronal a été entamée. La compatibilité du matériau en contact avec les neurones a été évaluée et validée.

In vitro neural networks have proven great potential in neuroscience to provide minimalist yet relevant models to mimic the complexity of human brain circuits. Monitoring the activity of neurons in such systems both at large scale and at single cell resolution represents the main challenge in neuroscience to fully decipher the brain information processing. Current techniques are not suitable to monitor the activity of the entire network (because of the field of view limitations) and at a single cellular resolution.In this work, we introduce a new in vitro neural activity monitoring device. Our approach consists in coupling a neural culture with a liquid crystal based electro optical transducer that will convert the electrical activity of neuronal network in an optical response for each individual neuron. Imaged by a lens-free technique, a CMOS detector that has a large field of view (~cm², up to several millions of pixels with current technologies) and a sub cellular resolution (~µm²), each individual neuron will be monitored by taking a picture of the entire network.The concept study of the transducer and its electrical model show suitable theoretical characteristics of the device for neuronal like signal detection. A first prototype was developed and its fabrication process was entirely detailed. Optical and electro-optical characterization were carried out, revealing the desired electrically controlled light valve effect. The development of a new microfluidic tool was initiated to fully characterize the device and assess its ability to detect local neuronal like spikes. The viability of neuron culture on the transducer material was proved.