Équipe "Implants Neuronaux sans Fil"

Thèmes de recherche

Les implants neuronaux sont des outils permettant d’interfacer le système nerveux avec à la fois une forte résolution spatiale et temporelle pour comprendre le fonctionnement et le comportement du cerveau avec une grande finesse. Le grand défi de ce domaine de recherche technologique est de concevoir un implant capable d’enregistrer et de stimuler les neurones sur des décennies sans aucune dégradation de la communication entre les électrodes et les neurones. Ceci impose un cahier des charges avec des contraintes fortes. Parmi ces dernières se trouvent principalement, 1) une forte sensibilité avec des électrodes de 25µm, 2) une très bonne biocompatibilité, 3) la possibilité de stimuler localement et de façon focalisée avec des électrodes de 25µm, 4) une faible empreinte de l’implant sur le tissu nerveux, 5) une chirurgie d’implantation facile.

Notre équipe tente de répondre à ce défi au travers du développement de technologies sans fil et sans batterie qui utilisent les ultrasons pour alimenter et communiquer avec les implants. Dans le sillage de travaux pionniers réalisés par des équipes de Berkeley il y a 10 ans, nous développons nos propres implants en utilisant des matériaux électroniques de nouvelle génération comme le diamant, le graphène, le PEDOT combinés à des composants piézoélectriques afin de stimuler et d’enregistrer l’activité neuronal mais aussi de suivre la concentration de neurotransmetteurs à l’aide de dispositifs implantables ayant des tailles inférieures à 400µm.

Une autre part de notre activité consiste à développer et tester in vivo des nouveaux implants filaires aussi bien rigides que souples ainsi que de nouvelles stratégies pour faciliter la chirurgie d’implantation.

L’équipe rassemble donc un large éventail de compétence scientifique et technique allant du design de circuit imprimé, l’électrochimie, la fabrication en salle blanche, la conception de logiciel d’instrumentation, les techniques d’implantations, l’électrophysiologie jusqu’à l’analyse de signaux neuronaux.

Actuellement, l’équipe fournit un gros effort pour utiliser l’ensemble de ces nouvelles technologies pour la reformation de circuit neuronaux après une lésion avec les équipes d’Homaira Nawabi et de Stéphane Belin, experts dans ce domaine.

Techniques utilisées :

• Fabrication en salle blanche (PTA Grenoble et ESIEE Paris) : En collaboration avec Lionel Rousseau (ESIEE Paris, ESYCOM lab, CNRS-Univ Gustave Eiffel), nous concevons nos masques de lithographie et mettons au point nos paramètres de microfabrication pour mettre au point nos nouveaux types d’implant. La fabrication en salle blanche à lieu en partie à la PTA de Grenoble en principalement à l’ESIEE où l’équipe de Lionel Rousseau fabrique des dispositifs implantables sur des wafers de 6 pouces permettant la fabrication d’une très grande quantités d’implants à la fois.

• Caractérisation électrochimiques : Nous avons développé un set up de caractérisation électrochimique qui permet de réaliser et d’automatiser des techniques standard d’électrochimie comme l’électrodéposition, la voltamétrie cyclique, la spectroscopie d’impédance sur 64 électrodes manière séquentielle (peut être augmenté à 128 électrodes). Ces techniques forment le cœur de la conception d’implant neuronaux utilisant des matrices d’électrodes puisqu’elles permettent de prédire les performances des électrodes aussi bien pour l’enregistrement que la stimulation ainsi que leur vieillissement.

• Set up de caractérisation de matrices de transistors : Nous pouvons tester jusqu’à 16 transistors en parallèle et évaluer leurs performances en vue de la mesure d’activité neuronale électrique ainsi que la détection de neurotransmetteurs. Les transistors à grille liquide flexibles sont des capteurs très intéressants pour la mesure de l’activité neuronale car ils permettent d’enregistrer sur une large bande de fréquence (DC à quelque kHz) ainsi que de mettre en place des stratégies de multiplexage pour diminuer le nombre de fils nécessaires pour connecter les implants.

• Set ups d’électrophysiologie in vitro and in vivo pour la stimulation neuronale et l’enregistrement extracellulaire (adapté pour les technologies d’interfaces sans fil et sans batterie) : L’équipe a 3 IntanTech RHS stimulation systems qui peuvent enregistrer et stimuler jusqu’à 128 électrodes. Le set in vitro est couplé à un système d’imagerie optique DragonFly de l’équipe d’Homaira Nawabi afin de combiner de l’imagerie en direct comme l’imagerie calcique. Le système est en train d’être modifié pour accueillir une sonde ultrasonique pour appliquer les techniques d’interfaces sans fil et sans batterie. Nous utilisons ces set ups pour tester les nouveaux types d’implants filaire et de mettre en place une banque de données collectant les avantages et inconvénients de chacun. Nous avons aussi développé une carte d’adaptation permettant d’utiliser le système RHS pour la mesure avec les transistors.

• Set up de caractérisation des technologies sans fil et sans batterie : Afin de caractériser et mettre au point les technologies d’interface sans fil et sans batterie nous avons développé des sets ups originaux qui combinent un interféromètre laser, un spectromètre d’impédance, une plateforme de positionnement 3D, une carte de générateur de signaux, un système de pulse-echo ultrasons et une carte d’acquisition haute fréquence. Cette combinaison permet de mesurer l’amplitude du signal echo et la déformation du composant piézoélectrique ainsi que les états d’une charge connectée au piezo. Deux de ces paramètres peuvent être mesurés en parallèle jusqu’à des fréquences de 24MHz.

• Voltamétrie cyclique rapide pour la détection de neurotransmetteurs : Nous mettons en place un set up pour faire des mesures de FSCV in vitro et in vivo pour détecter des neurotransmetteurs comme la dopamine, la sérotonine, la norépinephrine… Cette action est coordonnée avec l’équipe de Sébastien Carnicella qui étudie l’addiction sur des modèles précliniques.

• Conception et atelier d’électronique et mécanique : Nous avons en permanence besoin de mettre au point des circuits imprimés ou des adaptateurs mécaniques pour les PCBs ou pour les besoins de l’implantation chronique. En conséquence, nous concevons des PCBs et des pièces mécaniques à l’aide de logiciels libres (KiCad, FreeCad…). Nous participons à la mise en place active d’un atelier d’électronique et de mécanique au sein du GIN avec notamment l’apport d'une imprimante résine 3D et d'une imprimante à laque d’argent.

• Analyse des données : Nous utilisons et adaptons des codes python en libres accès (neo, ephyviewer,spike-interface, elephant) pour analyser et visualiser les données collectées au cours des enregistrements aigus et chroniques.