Détection et stimulation magnétique locale de l'activité neuronale

Information transmission in the brain occurs through ionic currents flowing inside the neuronal network. Understanding how the brain operates requires probing this electrical activity by measuring the associated electric or magnetic field. At the cellular scale, electrophysiology techniques are well mastered, but there is no tool to perform magnetophysiology. Mapping brain activity through the magnetic field generated by neuronal communication is done via magnetoencephalography (MEG). This technique is based on SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) that operate at liquid Helium temperature. This parameter implies to avoid any contact with living tissue and a shielding system that increases the distance between the neurons and the sensors, limiting spatial resolution. This thesis work aims at providing a new tool to performmagnetic recordings at the neuronal scale. The sensors developed during this thesis are based on the Giant Magneto-Resistance (GMR) effect. Operating at room temperature, they can be miniaturize and shaped according to the experiment, while exhibiting a sensitivity that allows to measure amplitude of 10⁻⁹ T. Before targeting neurons, the use of GMR-based sensors for magnetic recordings of biological activity has been validated through invitro experiments on the mouse soleus muscle. This biological system has been chosen because of its simple organization, allowing for a realistic modelling, and for its robustness, in order to get reliable and replicable results. The perfect agreement between the measurements and the theoretical predictions represents a consistent validation of the GMR technology for biological applications. Then a specially adapted needle-shaped probe carrying micron-sized GMR sensors has been developed for in-vivo experiment in cat visual cortex. The very first magnetic signature of action potentials inside the neuropil has been measured, paving the way towards magnetophysiology.L’activité cérébrale se traduit par des courants ioniques circulant dans le réseau neuronal.La compréhension des mécanismes cérébraux implique de sonder ces courants, via des mesures électriques ou magnétiques, couvrant différentes échelles spatiales. A l’échelle cellulaire, les techniques d’électrophysiologie sont maitrisées depuis plusieurs décennies, mais il n’existe pas actuellement d’outils de mesure locale des champs magnétiques engendrés par les courants ioniques au sein du réseau neuronal. La magnéto-encéphalographie(MEG) utilise des SQUIDs(Superconducting QUantum Interference Devices)fonctionnant à très basse température, placés en surface du crâne, qui fournissent une cartographie des champs magnétiques mais dont la résolution spatiale est limitée du fait de la distance séparant les capteurs des cellules actives. Le travail présenté dans cette thèse propose de développer des capteurs magnétiques à la fois suffisamment sensibles pour être capable de détecter le champ magnétique extrêmement faible générés par les courants neuronaux (de l’ordre de 10⁻⁹ T), et dont la géométrie est adaptable aux dimensions des cellules, tout en fonctionnant à température ambiante. Ces capteurs,basés sur l’effet quantique de magnétorésistance géante (GMR, sont suffisamment miniaturisables pour être déposés à l’extrémité de sondes d’une finesse de l’ordre de 100 μm. L’utilisation de capteurs GMR pour la mesure de signaux biomagnétiques fut d’abord testée lors d’expériences in-vitro, réalisées sur le muscle soléaire de souris. Ce système biologique a été choisi pour sa simplicité,rendant la modélisation accessible, ainsi que pour sa robustesse, permettant d’avoir des résultats fiables et reproductibles. Le parfait accord entre les prédictions théoriques et les signaux magnétiques mesurés valide cette technologie. Enfin, des expériences in vivo dans le cortex visuel du chat ont permis de réaliser la toute première mesure de la signature magnétique de potentiels d’action générés par des neurones corticaux, ouvrant la voie à la magnétophysiologie