Laure Caruso - Iramis

Service de Physique de l'Etat Condensé
Thèses ou HDR SPEC
Mardi 21/07/2015, 14h30
Amphi. Bloch, Bât. 774, Orme des Merisiers, CEA-Saclay
Laure Caruso
SPEC/LNO
Capteurs à magnétorésistance géante pour la détection magnétique locale
de courants neuronaux / Giant magnetoresistance based sensors for local
magnetic detection of neuronal currents
Manuscrit de la thèse.
Résumé :
L'étude de l'activité cérébrale nécessite des enregistrements simultanés à différentes échelles spatiales, d'une cellule
unique aux aires corticales du cerveau. Ces mesures fournissent un aperçu sur la relation entre les structures, les
fonctions et la dynamique des circuits neuronaux. Les techniques d'électrophysiologie apportent des informations
cruciales sur l'activité électrique dans les neurones. Sonder localement la signature magnétique de cette activité donne
des informations directes sur les courants neuronaux et la nature vectorielle d'une mesure magnétique renseigne sur la
directionnalité du flux ionique neuronal sans le perturber. Le champ magnétique induit par les courants neuronaux est
accessible par la Magneto encéphalographie (MEG), qui fournit la cartographie des champs neuromagnétiques à la
surface du cerveau à l'aide des Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs). Cependant, les mesures
locales de courants neuronaux à l'échelle cellulaire nécessitent des dispositifs miniaturisés et très sensibles.
L'objectif de ce travail de thèse est de développer un nouvel outil pour la neurophysiologie, l'équivalent magnétique
d'électrodes, nommé "magnetrodes", capable de détecter les courants neuronaux locaux par la détection magnétique. Les
progrès récents de l'électronique de spin ont permis de donner naissance aux capteurs à magnétorésistance géante
(GMR), qui offrent la possibilité d'être miniaturisés et suffisamment sensibles pour détecter des champs magnétiques
très faibles, comme ceux émis par les neurones à l'échelle locale (de l'ordre du picotesla au nanotesla). Deux types de
capteurs GMRs ont été développés au cours de ce travail, des sondes planes dédiées aux enregistrements en surface des
tissus (tranche d'hippocampe, muscle ou cortex), les autres sont des sondes pointues, conçues pour pénétrer facilement
les tissus et enregistrer localement les champs neuromagnétiques. Trois expériences ont été réalisées dont deux in vitro
et une in vivo. Le premier potentiel d'action magnétique a été détecté in vitro à l'aide de sondes GMRs planes, résultant
des courants axiaux dans un muscle de souris. Le deuxième modèle analysé in vitro est la tranche d'hippocampe de
cerveau de souris où les deux types de sondes ont été testés, montrant certains résultats préliminaires. Enfin, nous avons
effectué les premiers enregistrements magnétiques in vivo sur le cortex visuel du chat, affichant des réponses corticales
induites de l'ordre de 10-20nTpp. Ces résultats ouvrent la voie à magnetophysiologie locale qui est une nouvelle
approche d'exploration et d'interfaçage du cerveau.
Mots-clés : Capteurs à magnetorésistance géante, Courant neuronaux, Enregistrements magnétiques, Mesures in vitro et
in vivo, Électronique de spin, Biomagnétisme.
Giant magnetoresistance based sensors for local magnetic detection of neuronal currents
Abstract:
Understanding brain activity requires simultaneous recordings across spatial scales, from single-cell to brain-wide
network. Measurements provide insights about the relationship between structures, functions and dynamics in neuronal
circuits and assemblies. Electrophysiological techniques carry crucial information about the electrical activity within
neurons. Locally probing the magnetic signature of this activity gives direct information about neuronal currents and the
vectorial nature of magnetic measurements provides the directionality of neuronal ionic flux without disturbing it.
Noticeably, the magnetic signature induced by the neuronal currents is accessible through Magneto EncephaloGraphy
(MEG), which provides neuromagnetic field mapping outside the head using Superconducting QUantum Interference
Devices (SQUIDs).
However, local measurements of neuronal currents at cellular scale requires small and very sensitive devices. The
purpose of the present thesis work is to develop a novel tool for neurophysiology, the magnetic equivalent of electrodes,
named “magnetrodes”, are able to detect the local neuronal currents through magnetic detection. Recent
advances in spin electronics have given rise to Giant MagnetoResistance (GMR) based sensors, which offer the
possibility to be miniaturized and sensitive enough to detect very weak magnetic fields like those emitted by neurons at
local scale (in the picotesla to nanotesla range). Two kinds of GMR based sensors have been developed throughout this
work, one of these are planar probes dedicated to surface measurements (hippocampus slice, muscle or cortex), the other
kind are sharp probes, designed in a needle-shape to easily penetrate the tissues and locally record the neuromagnetic
fields.
Three experiments have been performed, either in vitro and in vivo. In the first experiment, an Action Potential has been
detected magnetically in vitro by means of planar GMR sensors, resulting from axial currents within a mouse muscle.
The second in vitro experiment analyzed the hippocampal mouse brain slices, where both planar and sharp probes were
tested giving some preliminary results. Lastly we performed the first magnetic recordings in vivo on cat's cerebral
cortex, displaying stimulus-induced cortical responses of 10-20 nT pp . These results pave the way for local
magnetophysiology, a novel approach of brain exploration and interfacing.
Keywords: Neuronal currents, Spin electronics.
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