Interface entre neurones et puces structurées électroniques pour la détection de potentiels d'action

The interface man / machine had followed of many researches in biotechnology. A part of these researches concern the interconnections brain / machine. Indeed, the brain arranges numerous intellectual connections thanks to neurons. These neurons communicate between them and propagate information thanks to a "bio-electric" signal called action potential. The objective of my doctoral thesis is to measure this signal thanks to ion sensitive field effect transistor (ISFET). The ISFET process was modified to obtain a new kind of sensor, named NeuroFET. Chips containing NeuroFETs were completely microfabricated in cleanroom. The growth of neurites must be directed to pass on the NeuroFET gate. For this to be successfully addressed, we chose to force them mechanically thanks to channels in SU-8 resin. After testing different but not decisive methods, we developed our own technique based on photolithography by projection. By modifying the parameters of focus and exposure, it was possible to obtain channels in the shape of broken bows in a single insulation. Thanks to this method named SU-8 3D, we realized a biocompatible, SU-8-based microchannel network Our partnership with the Institut de la Vision in Paris allowed us to organize the growth of neurites of neurons of rat retina using this microchannel network. Chips were packaged on a printed circuit board, isolated electrically and covered with a cone of culture allowing the neuronal culture on the scale of the individual chip. As action potential of neurons of rats retinas were barely important to be measured using our measurement interface, we used neurons of pool snails Lymnaea Stagnalis. After three days of growth, we applied to cells a cycle of various toxins allowing to alternate activity of spontaneous actions potential and state of rest. This cycle allowed us to observe a neuronal activity and so to validate the functionality of the system.L'interface homme / machine a entraîné de nombreuses recherches en biotechnologie. Une partie de ces recherches portent sur les interconnexions cerveau / machine. En effet, le cerveau dispose de nombreuses connexions cérébrales par le biais de neurones. Ces neurones communiquent entre eux et propagent l'information grâce à un signal bio-électrique appelé potentiel d'action. L'objectif de ma thèse de doctorat est de mesurer ce signal à l'aide de transistors ionosensibles à effet de champ (Ion Sensitive Field Effect Transistor ISFET). Le procédé ISFET a été modifié pour obtenir un nouveau type de capteur baptisé NeuroFET. Les puces contenant les NeuroFETs ont entièrement été fabriquées au sein de la salle blanche du LAAS. La croissance des neurites doit être ensuite orientée pour que celles-ci passent sur les grilles des NeuroFETs. Pour se faire, nous avons choisi de les contraindre mécaniquement à l'aide de canaux microfabriqués en résine SU-8. Après avoir testé différentes méthodes non concluantes, nous avons développé notre propre technique basée sur la photolithographie par projection. En modifiant les paramètres de focalisation et d'exposition, il a été possible d'obtenir des canaux en forme d'arcs brisés en une seule insolation. Grâce à cette méthode nommée " SU-8 3D", nous avons finalement réalisé des réseaux de microcanaux biocompatibles en SU-8 en vue d'analyses neuronales. Notre partenariat avec l'Institut de la Vision à Paris, nous a permis d'utiliser ce réseau de canaux afin d'orienter la croissance des neurites. La puce NeuroFET a été mise en boitier sur un circuit imprimé, isolée électriquement et recouverte d'un cône de culture permettant la culture neuronale à l'échelle de la puce individuelle. Les potentiels d'actions des neurones de rétine de rat n'étant pas assez important pour être mesuré à partir de l'électronique développée, nous avons utilisé des neurones d'escargots d'eau Lymnaea Stagnalis. Après trois jours de culture, nous avons appliqué aux cellules un cycle de différentes toxines permettant d'alterner le déclanchement de potentiels d'actions spontanés et l'état de repos. Ce cycle nous a permis d'observer une activité neuronale et ainsi de valider le bon fonctionnement du système