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

Efficient interface design bridging artificial and biological neurons for neurosystems engineering applications

• Auteur / Autrice : Dimitri Henniquau
• Direction : Virginie Hoel, Christel Vanbesien-Mailliot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Vilcot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Vlandas, Serge Bernard, Marc Pananceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Delacour, Sylvie Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurostimulation

Organes artificiels

MOS complémentaires

Réseaux neuronaux (physiologie)

Bionique

Mots clés libres

Neurones artificiels

Systèmes neuromorphiques

Interfaces neurobiohybrides

CMOS

Neuroinspired

Artificials neurons

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.

Neuromorphic engineering is an exciting emerging new field, which combines skills in electronics, mathematics, computer sciences and biomorphic engineering with the aim of developing artificial neuronal networks capable of reproducing the brain’s data processing. Thus, neuromorphic systems not only offer more effective and energy efficient solutions than current data processing technologies, but also set the bases for developing novel original therapeutic strategies in the context of pathological brain dysfunctions. The research group Circuits Systèmes Applications des Micro-ondes (CSAM) of the Institute for Electronics, Microelectronics and Nanotechnologies (IEMN) in Lille, in which this thesis work was carried out, has contributed to the generation of such neuromorphic systems by developing a toolbox constituted of artificial neurons and synapses. In order to implement neuromorphic engineering in the therapeutic arsenal for treating neurologic disorders, we need to interface living and artificial neurons to ensure real communication between these different components. In this context and using the original tools developed by the CSAM group, the main goal of this thesis work was to design and produce a functional interface allowing a bidirectional communication loop to be established between living and artificial neurons. These artificial neurons have been developed by the CSAM group using CMOS technology and are able to emit biomimetic electrical signals. Living neurons were obtained from differentiated PC-12 cells. A first step in 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, and to the growth and characterization of living neurons before studying their capacities to communicate with artificial neurons. First, a model of neuronal membrane representing a living neuron interfaced with a metallic planar electrode has been developed. We thus showed that it is possible to excite neurons using biomimetic signals produced by artificial neurons while maintaining a low excitation voltage. Low voltage excitation would improve energy efficiency of neurobiohybrid systems integrating artificial neurons and reduce the impact of harmful electrical signals on living neurons. Then, the neurobiohybrid interfacing living and artificial neurons has been designed and produced. The results obtained by experimental characterization of this interface validate the approach consisting in exciting living neurons through a metallic planar electrode. Finally, living neurons from PC-12 cells were grown and differentiated directly onto neurobiohybrids. Then, an experimental proof of the ability of biomimetic electrical signals to excite living neurons was obtained using calcium imaging. To conclude, the work presented in this manuscript clearly establishes a proof of concept for the excitation of living neurons using a biomimetic signal in our experimental conditions and thus substantiates the first part of the bidirectional communication loop between artificial neurons and living neurons.