Microscopie corrélée pour de la détection multiphysique appliquée aux réseaux de neurones

Dans un réseau de neurones, la transmission des signaux électriques transportant l’information est accompagnée par des variations complexes, actives et passives, de flux d’ions. À l’échelle du réseau, cette activité est révélée par des variations de potentiel membranaire correspondant à l’activité d’une cellule (potentiels d’action) ou d’un groupe de neurones (potentiels de champ). Ces signaux résultent de transports de charges ioniques à l’échelle nanoscopique pouvant être sondés grâce aux méthodes d’imagerie fonctionnelle ou à l’enregistrement électrique patch-clamp. D’autre part, de nombreux capteurs électriques extracellulaires tels que les microélectrodes (MEAs) ou les transistors à effet de champ permettent de suivre l’activité électrique d’un réseau. Il n’existe, cependant, pas d’outil permettant de sonder à la fois les événements nanoscopiques (potentiels dendritiques, courants ioniques) et l’activité globale d’un réseau. Ce travail de thèse a pour but de développer une méthode de microscopie corrélative permettant de caractériser les fluctuations nanoscopiques et leur impact sur l’activité à l’échelle du réseau. L’approche choisie ici consiste à combiner deux techniques complémentaires : l’imagerie calcique, qui apportent une information spatiale sur l’origine du signal, et l’enregistrement électrique, qui permet une mesure directe des variations de potentiel allant de la milliseconde à la dizaine de secondes. L’utilisation du graphène pour développer des transistors à effet de champ (G-FETs) répond à différents critères. Le graphène, transparent, permet de suivre la croissance cellulaire et l’activité en des zones localisées grâce au couplage à l’imagerie optique. Les G-FETs possèdent une grande stabilité électrique lors de la mesure dans le temps et permettent de mesurer des variations de potentiel tout comme des courants ioniques. Cependant, la compréhension du mécanisme de transduction du signal biologique par le G-FET est rendu complexe du fait des interactions fortes entre le graphène et son milieu environnant (liquide à température ambiante, cellule). Le couplage à l’imagerie calcique dans les réseaux in vitro apporte alors, non seulement, une information complémentaire sur l’activité cellulaire, mais aussi un contrôle permettant de caractériser l’origine des signaux détectés avec les capteurs électriques (G-FETs, MEAs). Cette approche combinée complète donc la compréhension des signaux détectés avec chacune des méthodes afin d’améliorer le suivi de l’activité neuronale via les transitoires calciques ou la mesure voltage extracellulaire. Elle ouvre également la voie à l’étude des corrélations entre fluctuations nanoscopiques et activité mésoscopique, et ceci à différents stades de maturité d’un réseau. De plus, cet outil de mesure corrélative bénéficie de la polyvalence des capteurs électriques et des sondes fluorescentes (calcium, voltage, sodium, température) pour être étendu à l’étude de différents structures biologiques complexes, ou de la matière molle en général.