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Thèse Sébastien Joucla

"Etude expérimentale et de modélisation de la stimulation électrique extracellulaire de réseaux de neurones avec des matrices de microélectrodes : analyse des mécanismes sous-jacents et amélioration de la focalité spatiale des stimulations".

Le 17 décembre 2007

Résumé

La stimulation électrique extracellulaire du système nerveux central avec des matrices de microélectrodes (MEAs) constitue un enjeu majeur en Neurosciences, tant en recherche fondamentale que clinique. Cette thèse a pour but de comprendre les mécanismes sous-tendant la stimulation extracellulaire des neurones. Une étude expérimentale montre que les stimulations monopolaires sont peu focales. Une étude computationnelle a consisté à développer un modèle éléments finis pour calculer de manière réaliste le potentiel extracellulaire généré par une stimulation. Grâce à ce modèle, une configuration d’électrodes permettant de focaliser les étendues stimulées a été élaborée (brevet déposé). Enfin, un modèle, constitué d'un neurone compartimenté placé dans un champ de potentiel, a permis de comprendre plusieurs effets de la stimulation extracellulaire sur la réponse neuronale. Ce travail apporte une meilleure maîtrise des stimulations extracellulaires, en vue de leur utilisation pour l’étude des phénomènes activité-dépendants impliqués dans la plasticité des réseaux de neurones et pour la mise au point de neuroprothèses efficaces.

Mots-clés: réseaux de neurones, stimulation électrique extracellulaire, microstimulation focale, matrice de microélectrodes, MEA, modélisation, méthode des éléments finis, équation de câble, neuroprothèses.


Abstract

Extracellular electrical stimulation of the central nervous system using microelectrode arrays (MEAs) is currently a challenging stake in neuroscience, in the fields of both fundamental and clinical research. This thesis aims at understanding the mechanisms underlying the extracellular stimulation of neurons. An experimental study shows that monopolar stimulations are not focal. Through a computational study, a finite element model was developed and used for realistic computation of the extracellular potential created by a stimulation. Based on this model, a new electrode configuration is proposed to achieve focal spatial stimulations (patent pending). Finally, a model made of a compartmentalized neuron placed in an extracellular potential field was built and used to explain several effects of extracellular stimulation on the neural response. This work allows a better control of extracellular stimulation for their use to study activity-dependant phenomena underlying neural network plasticity and for the development of efficient neural prostheses.

Keywords: neural networks, extracellular electrical stimulation, focal microstimulation, microelectrode arrays, MEA, modeling, finite element method, cable equation, neural prosthesis.


Labo Umr Cnrs 5228

Focus


Sébastien Joucla a préparé sa thèse sous la direction de Blaise Yvert CNRS UMR 5228

Jury

M. Alexander KUHN    PU Bordeaux 1 – ENSCPB Examinateur
M. Richard MILES DR, INSERM, Univ. Paris 6 Rapporteur
M. Serge PICAUD DR, INSERM, Univ. Paris 6 Rapporteur
M. Christophe POUZAT Chargé de Recherche, CNRS, Univ. Paris 5 Examinateur
M. Pierre MEYRAND DR, CNRS, Univ. Bordeaux 1    Examinateur
M. Blaise YVERT Chargé de Recherche, CNRS, Univ. Bordeaux 1 Directeur de Thèse