Etude expérimentale et modélisation de la stimulation électrique extracellulaire des réseaux de neurones avec des matrices de microélectrodes (MEA) : analyse des mécanismes sous-jacents et amélioration de la focalité spatiale des stimulations

Experimental and modeling study of extracellular electrical stimulation of neural networks using microelectrode arrays (MEA) : analysis of underlying mechanisms and improvement of spatial focalization of the stimulations

• Auteur / Autrice : Sébastien Joucla
• Direction : Blaise Yvert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé. Neuroscience
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neuroprothèses

Éléments finis, Méthode des

Microélectrodes

Stimulation électrique

Réseaux neuronaux (physiologie)

Résumé

La stimulation électrique extracellulaire du système nerveux central avec des matrices de microélectrodes (MEAs) constitue un enjeu majeur en Neurosciences, tant en recherche fondamentale que clinique. Cette thèse a pour but de comprendre les mécanismes sous-tendant la stimulation extracellulaire des neurones. Une étude expérimentale montre que les stimulations monopolaires sont peu focales. Une étude computationnelle a consisté à développer un modèle éléments finis pour calculer de manière réaliste le potentiel extracellulaire généré par une stimulation. Grâce à ce modèle, une configuration d’électrodes permettant de focaliser les étendues stimulées a été élaborée (brevet déposé). Enfin, un modèle, constitué d'un neurone compartimenté placé dans un champ de potentiel, a permis de comprendre plusieurs effets de la stimulation extracellulaire sur la réponse neuronale. Ce travail apporte une meilleure maîtrise des stimulations extracellulaires, en vue de leur utilisation pour l’étude des phénomènes activité-dépendants impliqués dans la plasticité des réseaux de neurones et pour la mise au point de neuroprothèses efficaces.

Extracellular electrical stimulation of the central nervous system using microelectrode arrays (MEAs) is currently a challenging stake in neuroscience, in the fields of both fundamental and clinical research. This thesis aims at understanding the mechanisms underlying the extracellular stimulation of neurons. An experimental study shows that monopolar stimulations are not focal. Through a computational study, a finite element model was developed and used for realistic computation of the extracellular potential created by a stimulation. Based on this model, a new electrode configuration is proposed to achieve focal spatial stimulations (patent pending). Finally, a model made of a compartmentalized neuron placed in an extracellular potential field was built and used to explain several effects of extracellular stimulation on the neural response. This work allows a better control of extracellular stimulation for their use to study activity-dependent phenomena underlying neural network plasticity and for the development of efficient neural prostheses.