Neurones sur nanotransistors: des systèmes vivants instrumentés pour les neurosciences. – NeuroFET

Ce projet s'insère dans deux champs de recherche très actifs en neuroscience. - Le premier concerne les mécanismes impliqués dans la différentiation axonale, dont la complexité s'est récemment enrichie du facteur « activité électrique » en lien avec le développement. - Le second grand axe de recherche s'intéresse à la capacité du système nerveux à traiter et à stocker de l'information, par exemple dans un environnement « bruyant » issu de l'activité stochastique des principaux supports de la transmission de l'information (canaux ionique, synapses). - Les cultures 2D de neurones « lues » par un réseau de capteurs extra-cellulaires sont un des systèmes pertinents pour la mise en œuvre de ces deux grands thèmes de recherches. La surface de couplage neurones/capteurs a de plus été recemment réduite de 3 ordres de grandeur par l'élaboration de matrices de nanotransistors (nanoFETs), permettant un suivi de la propagation de l'information à l'échelle sub-cellulaire. - Le projet NeuroFET nécessite une étude à part entière des mécanismes de forçage de la polarisation axonale in-vitro. Il s'appuie également sur la réalisation de matrices originales de nanoFETs sur silicium en vue d'un couplage optimisé avec des neurones. La mise en œuvre conjointe de ces recherches ouvre tout d'abord la porte à des études de neurosciences computationelles à l'échelle de la cellule unique ou à celle de petits réseaux possédant une géométrie pertinente pour l'étude de la transmission de l'information aidée par le bruit, autre question actuelle et fondamentale pour les neurosciences. La modulation de l'activité à une échelle très locale par les nanoFETs, jouant alors le rôle de synapses artificielle, permettra également l'exploration du lien entre développement (et en particulier la dynamique du cone de croissance) et activité électrique dans un contexte tout à fait original.
Ce projet nécessite l'exécution de trois tâches qui sont : - 1. La réalisation de nanoFETs pour la mesure et la stimulation de l'activité électrique à une échelle sub-cellulaire par des techniques top-down à partir de substrats silicium sur isolant. Des matrices de nanoFETs de géométries complexes dédiées à l'instrumentation conjointe de l'arborescence dendritique et de l'axone seront élaborées. Cette tâche sera menée par l'Institut Néel. - 2. Le forçage de la polarisation axonale par l'intermédiaire de mécanismes d'adhésion spécifiques ou non-spécifiques, ainsi que l'étude du développement modulé par l'activité électrique. L'influence d'une stimulation électrique selon différentes localisations sub-cellulaires sera étudiée par un suivi optique (fluorescence et imagerie calcique) de la pousse axonale sur des réseaux de nanoFETs. Cette tâche sera menée conjointement par l'Institut Néel et les biologistes de l'Institut des Neurosciences de Grenoble (GIN). - 3. L'exploitation en terme computationnel de réseaux à géométrie et à polarité contrôlée, couplée à un travail de modélisation et des recherches théoriques. Cette dernière partie sera menée par le GIPSA-lab, en collaboration avec l'Institut Néel. Les systèmes pertinents d'étude seront en particulier les réseaux « pooling », qui miment les architectures sensorielles de traitement en parallèle de l'information dans un contexte bruyant, ainsi que la cellule unique.
Cette approche concertée, associant trois groupes de recherches de spécialités différentes (intrumentation physique, biologie du neurone, traitement du signal), est originale en neuroscience. Nous en attendons des avancées dans les domaines de la polarisation axonale et de l'influence de la stimulation électrique sur divers aspects du développement (motilité du cône de croissance, mais aussi couplage synaptique), ainsi qu'un accès nouveau aux processus computationnels mis en œuvre par un nombre restreint de neurones en culture.