Etude de la stimulation laser de neurones pour des applications de prothèses visuelles

• Main Author: Bec, Jean-Michel
• Other Authors: Montpellier 2
• Language: fr
• Published: 2010
• Subjects: Stimulation laser; Neurone; Cellule ganglionnaire rétinienne; Prothèse rétinienne; Implant rétinien; Laser stimulation; Neuron; Retinal ganglion cell; Visual prosthesis; Retinal implant
• Online Access: http://www.theses.fr/2010MON20029/document

Ce travail se situe dans le cadre d'un projet pluridisciplinaire visant à développer une prothèse visuelle. La technique la plus utilisée actuellement dans de nombreux types de neuroprothèses est basée sur l'excitation par voie électrique via des électrdes. Les inconvénients d'une telle technique (très invasive, de faible résolution spatiale et par contact) pourraient être surmontés en utilisant une stimulation par laser infra-rouge. Nous présentons dans un premier temps les caractéristiques des trois diodes lasers fibrés émettant à 1875 nm, 1535 nm et 1470 nm pour des gammes de puissances optiques de quelques centaines de mW qui ont été utilisés et intégrés à deux dispositifs de mesures permettant l'observations de variations d'échanges ioniques transmembranaires (imagerie de fluorescence des ions calciums et mesure électrophysiologique par la technique de patch clamp). Nous montrons ensuite que des réponses biologiques ont été obtenues par les trois lasers, non seulement sur des cellules ganglionnaires de la rétine et du vestibule de culture mais aussi sur des tranches de rétine. L'influence des paramètres clés comme la longueur d'onde, la durée de stimulation, les seuils d'énergie a été étudié, et a permis d'établir que les seuils d'énergie de stimulation dépendent de la valeur du coefficient d'absorption de l'eau qui varie suivant la longueur d'onde utilisée. Enfin, une étude est consacrée pour expliquer les mécanismes physiques et biologiques apparaissant au cours de l'interaction du laser avec le neurone au niveau cellulaire. Des simulations numériques quantifiant l'élévation de température associées à des tests pharmacologiques cherchant à déterminer la nature des canaux ioniques spécifiques mis en jeu suggèrent la prédominance d'un effet thermique. === This work is part of a pluridisciplinary project, aiming at developing a visual prosthesis. The most used technique for this kind of neuroprosthesis is based on the electrical stimulation of nerves by electrodes. Drawbacks of such a technique (very intrusive, low spatial resolution and physical contact) could be overcome by the use of an infra red laser based stimulation. We present first the three fibre pigtailed laser diode characteristics emitting few hundred of mW at 1875 nm, 1535 nm and 1470 nm. These lasers have been integrated on two measurement devices (a fluorescence microscope and a microscope using patch clamp recording), for the observation of ionic membrane exchanges. Our results show that action potentials have been obtained by laser stimulation from the three lasers, both on retinal or vestibular ganglion cells from mass cultures and on retinal slices. The effect of key parameters as the wavelength, the stimulation time, the energy thresholds has been studied and show that the energy thresholds clearly depend on the absorption coefficient of water which varies with the wavelength. Finally, we present the results of a preliminary study aiming at determining the biophysical interaction mechanisms at cell level. Numerical simulations giving the local increase of temperature and tests of specific blocking molecules in order to know the exact nature of the ionic channels involved suggest a predominant thermal mechanism.