Note publique d'information : L'électrophysiologie est le domaine de la physiologie qui vise à enregistrer l'activité
électrique des tissues biologiques. En utilisant des microélectrodes implantées dans
le cerveau, l'électrophysiologie a permis de réaliser des avancées décisives dans
la compréhension des mécanismes neurologiques majeurs, comme la mémoire, le langage
et l'apprentissage, grâce à l'enregistrement de l'activité électrique du cerveau.
Ces avancées promettaient d'aider au développement de traitements et de dispositifs
thérapeutiques pour les principales maladies neurologiques comme Parkinson, Alzheimer
ou l'épilepsie. Cependant, la nécessité d'obtenir des sources de signaux complémentaires
aux enregistrements électrophysiologiques a récemment émergé, la recherche thérapeutique
basée exclusivement sur l'utilisation de ces signaux électriques conduisant le plus
souvent à des impasses. Ces signaux électriques étant portés par des molécules appelées
neurotransmetteurs, leur détection en temps réel devrait être une source pertinente
de signaux complémentaires à combiner aux signaux électrophysiologiques. Durant cette
thèse, de nouvelles microélectrodes nano-composites à base de PEDOT et de nanofibres
de carbone oxydées ont été développées pour réaliser cette combinaison. Ces électrodes
présentent d'excellentes caractéristiques in-vitro pour l'électrophysiologie bidirectionnelle,
avec une faible impédance et une forte capacité d'injection de charge. Ces électrodes
permettent également de détecter électrochimiquement la dopamine (un neurotransmetteur
clé) grâce à deux techniques complémentaires, la chronoampérométrie et la voltammétrie
cyclique rapide. De plus, ces électrodes modifiées gardent un profil spatial adéquat
pour s'interfacer avec une cellule unique, ce qui ajouté à leurs autres caractéristiques
en font des dispositifs adéquats pour l'interfaçage neuronal multifonctionnel, ajoutant
la détection de neurotransmetteurs à l'enregistrement électrique. Intégrées sur des
implants flexibles, ces électrodes ont été testées in-vivo dans des tranches de cerveau
de souris comme électrodes d'enregistrement et de stimulation électrique, réalisant
de l'électrophysiologie bidirectionnelle. Leurs hautes performances ont permis d'enregistrer
l'activité électrique du cerveau sur une plage de fréquences plus importante et avec
un meilleur rapport Signal sur Bruit que celui obtenu avec des microélectrodes standard.
En conclusion, les performances des microélectrodes modifiées développées durant cette
thèse sont très prometteuses pour l'interfaçage neuronal multifonctionnel au niveau
de la cellule unique. Elles permettent en effet le couplage d'enregistrements électrophysiologiques
et de stimulation électrique in-vivo, tout en permettant la détection électrochimique
de neurotransmetteurs in-vitro. Ces propriétés en font des dispositifs de pointe pour
la recherche et pour des applications thérapeutiques en neuroscience faisant appel
à la fois à l'enregistrement des activités électrique et neurochimique.
Note publique d'information : Electrophysiology is the physiology field that aims at recording the electrical activity
of biological tissues. Using microelectrodes in or on the brain, electrophysiology
helped make crucial advancements in the understanding of major neurological mechanisms
like memory, language, learning by recording the brain electrical signals. Through
these advances, it promised and helped develop treatments and therapeutic devices
to cure the major neurological diseases like Parkinson's, Alzheimer's or epilepsy.
However, recently the need for other sources of information to combine with electrophysiological
recordings has raised, as the research and therapeutic approaches over-relying on
these recordings did mostly lead to dead-ends. As the brain electrical activity is
molecularly supported by a class of molecules called neurotransmitters, their detection
in real-time is proposed as a high-potential complementary brain study technique to
integrate along with electrophysiological recordings during neural interfacing. During
this PhD, we developed a new generation of nanocomposite microelectrodes made of both
PEDOT and oxidized carbon nanofibers to meet this combined integration. These electrodes
displayed a key characteristics combination in-vitro, with low impedance, high charge
injection limit, making them promising candidates for bidirectional electrophysiology,
while being capable to detect dopamine (one key neurotransmitter) using two complementary
techniques, chronoamperometry and fast-scan cyclic voltammetry. Moreover, these electrodes
keep a sufficiently low spatial profile to interface with single cells, making them
promising candidates for multifunctional neural interfacing, adding neurochemical
detection to electrical recordings. Integrated on flexible implants, these electrodes
were first tested in-vivo in brain slices as recording and stimulating electrodes
(realizing bidirectional electrophysiology). They showed high performances, being
capable to record brain electrical signals on a wider frequency range than standard
microelectrodes, with a higher Signal to Noise Ratio (SNR). They also allowed to electrically
stimulate brain slices tissues, generating measurable outputs with low inputs compared
to standard electrodes. In conclusion, the modified electrodes developed in this thesis
showed promising properties for multifunctional neural interfacing at a single cell
level, enabling the coupling between electrophysiological recording and electrical
stimulation of tissues in-vivo, while also being capable of neurotransmitter electrodetection
in-vitro. Through these properties, they constitute meaningful candidates for long-term
simultaneous recording of the brain electrical and neurochemical activities for research
and therapeutic applications.
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