NeuroTech Center

Les avancées majeures dans la recherche sur le cerveau résultent souvent de la combinaison de technologies innovantes et de questions scientifiques bien définies. Les progrès récents en optique, électronique et informatique permettent désormais d’explorer, avec un niveau de détail sans précédent, comment les circuits cérébraux contrôlent les réponses comportementales. La flexibilité et la portabilité de ces systèmes ouvrent la voie à l’exploration en temps réel des activités neuronales chez des animaux en mouvement libre ou accomplissant des tâches complexes dans des environnements naturels. 

De grandes initiatives nationales et internationales repoussent sans cesse ces frontières technologiques, en créant de nouvelles neurotechnologies. Grâce à notre expertise locale dans le domaine de la modélisation in vitro de cerveaux sur puces, de la bioélectronique, et de la neuroimagerie in vivo, nos équipes développent des technologies innovantes pour l’exploration fonctionnelle du cerveau sain et malade, de l’échelle microscopique à macroscopique.

Le NeuroTech Center fédère ces initiatives technologiques sur le site d’Aix-Marseille pour créer un réseau interdisciplinaire d’envergure. Il collabore étroitement avec CoNeCT, centre interdisciplinaire dédié aux neurosciences computationnelles, pour déchiffrer et modéliser l’activité neuronale.

Le NeuroTech Center est une initiative soutenue par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Aix-Marseille Université (AMU), et l’École des Mines de Saint-Étienne (EMSE).

Microfluidique

Bioelectronique

Neurophotonique

Les systèmes cerveau-sur-puce connaissent un essor exponentiel ces dernières années. La compartimentalisation cellulaire de neurones en culture dans des puces microfluidiques offre une occasion unique de reconstituer l‘architecture physiologique de réseaux neuronaux complexes pour leur étude in vitro. 

Le NeuroTech Center participe activement à ce développement technologique pour étudier la plasticité des réseaux neuronaux, dans un environnement sain ou malade, et leur réponse à des perturbations pharmacologiques, chimiques, électriques ou optiques. 

En isolant et en identifiant chaque composant du réseau avec une résolution subcellulaire, les dispositifs cerveau-sur-puce permettent de suivre localement les dynamiques intracellulaires au cours du temps, par vidéomicroscopie,et d’investiguer les mécanismes moléculaires impliqués. 

Adaptabilité 

Le NeuroTech permet de développer des dispositifs sur mesure pour reconstruire des réseaux neuronaux complexes et spécifiques aux pathologies. Ces dispositifs peuvent s’adapter à l’intégration de cellules gliales (INT SONIC, IES M²N).

Modèles de maladie

Les puces microfluidiques permettent de créer des modèles de réseaux neuronaux sains et pathologiques en partant de cellules animales comme de cellules humaines dérivées de patients (hiPSC). Le NeuroTech vise à développer ces nouveaux modèles humains sur puces pour étudier les réseaux pathologiques à l’échelle individuelle ainsi que leur réponse aux traitements. Le développement de ces outils a pour but de faciliter les phases pré-cliniques et les tests pharmacologiques individualisés dans une optique de médecine personnalisée (INT SONIC, INP Plateforme SCeNT).

Multiplexage

Le NeuroTech travaille sur le multiplexage des puces microfluidiques et l’automatisation du contrôle des flux pour permettre du criblage de molécules parallélisé sur des modèles pathologiques sur puce (INT SONIC, Fluigent).

• INT (SONIC)
• IES Montpellier (M²N)
• INP (SCeNT)
• Fluigent

Les équipes du NeuroTech conçoivent, utilisent et valident des dispositifs in vitro et in vivo pour mesurer et manipuler l’activité neuronale. 

Réseaux d’électrodes in vitro

Le NeuroTech utilise des réseaux d’électrodes MEA (MultiChannel System) et développe des réseaux d’électrodes sur mesure, adaptés aux puces microfluidiques. Ces dispositifs permettent d’étudier la réponse de réseaux neuronaux complexes à un changement d’activité neuronale in vitro et d’investiguer les mécanismes moléculaires associés (INT SONIC, IES M²N). 

Électrodes flexibles in vivo

Les équipes du NeuroTech développent des électrodes flexibles et transparentes qui s’adaptent à la viscosité du cerveau et sont compatibles avec l’imagerie in vivo chez l’animal éveillé. Ces dispositifs flexibles sont basés sur la microfabrication de polymères biocompatibles(Parylène C, PEDOT…) et permettent d’étudier la réponse dynamique des réseaux neuronaux à des stimulations. Ils sont également utilisés à des fins thérapeutiques, par exemple dans le traitement des cancers par électrochimiothérapie (Ecole des Mines BEL).

Microelectronique

Les équipes caractérisent les électrodes et conçoivent les systèmes électroniques de contrôle associés (IM2NP ACSE). 

• INT (SONIC)
• IES Montpellier (M²N)
• Ecole des Mines (BEL)
• IM2NP (ACSE)

Le NeuroTech Center travaille à la mise à place et à l’amélioration de techniques d’imagerie pour répondre aux enjeux de résolution spatiale, temporelle, et en profondeur liés à l’imagerie in vivo. Le NeuroTech vise à combiner ces nouvelles possibilités d’imagerie avec l’utilisation d’outils moléculaires fluorescents innovants (INT NeuroBio Tools).

Imagerie “label-free” in vitro 

Le NeuroTech s’intéresse à l’imagerie quantitative de phase pour imager les cellules neuronales sans marqueurs fluorescents. Cette technique permet de quantifier les dynamiques intracellulaires sur une longue durée avec une haute résolution spatiale et temporelle sans impacter les neurones (Institut Fresnel Mosaic, INT SONIC).

Imagerie 2 Photon in vivo ultra rapide

Les équipes du NeuroTech optimisent l’imagerie biphotonique ultra-rapide pour étudier l’activité neuronale sous-cellulaire in vivo chez l’animal éveillé, en réponse à des stimulations optiques ou électriques. Elles s’appuient sur des indicateurs de voltage génétiquement encodés (GEVIs) qui permettent de mesurer à la fois l’activité en spike et l’activité sous le seuil d’excitation avec une résolution sous-cellulaire (INT Plateforme INPHIM, Ecole des Mines BEL). 

Imagerie photoacoustique in vivo profonde

L’imagerie optique in vivo est limitée aux couches superficielles. Le NeuroTech développe l’imagerie photoacoustique pour visualiser l’activité neuronale profonde in vivo. Les équipes travaillent sur des méthodes de détection optique des ondes acoustiques pour atteindre une résolution cellulaire en profondeur. En parallèle, elles développent des méthodes d’acquisition rapide pour améliorer la résolution temporelle nécessaire à l’imagerie d’activité neuronale (Institut Fresnel Mosaic, INT Plateforme INPHIM, École des Mines BEL).

Optique incurvée pour l’imagerie in vivo

L’imagerie in vivo se focalise généralement sur des régions microscopiques ou sur l’imagerie cérébrale du cerveau entier, à l’échelle macroscopique. Les équipes de Neurotech visent à combler cet écart en s’intéressant à l’activité neuronale à l’échelle mésoscopique en imageant un colorant sensible au voltage sur des regions millimétriques du cortex de primates non-humains éveillés. Les équipes travaillent sur le développement d’optiques incurvées, initialement conçues pour l’instrumentation astronomique, afin d’adapter l’imagerie à la courbure du cerveau et d’améliorer la résolution spatiale. L’objectif est de corréler la connectivité cérébrale à longue distance avec le comportement de l’animal éveillé (INT NEOPTO, LAM, ONERA). 

• INT (SONIC, NEOPTO)
• École des Mines (BEL)
• Institut Fresnel (Mosaic)
• Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)
• INT plateformes (INPHIM, SPRIME, NeuroBio Tools)
• Centre de primatologie de la Méditerranée (MPRC)

Structurer et piloter la recherche collaborative sur les neurotechnologies

Le NeuroTech Center regroupe plusieurs équipes et plateformes de l’INT ainsi que des partenaires à l’Ecole des Mines, à l’Institut Fresnel, à l’INP, à l’INMED, l’IM2NP, au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) et au Centre français de recherche aérospatiale (ONERA). 

Former les étudiants et personnels

Le NeuroTech Center et CoNeCT proposent depuis 2023 une UE Neurotechnologies & Neurocomputationnel au sein du master de bioingénierie de Centrale Méditerranée dans le but de former des étudiants aux applications de recherche et d’industrie.

Donner une visibilité et valoriser le développement technologique 

Le NeuroTech Center organise des séminaires mensuels dédiés aux développements technologiques pour les neurosciences. 

Le NeuroTech Center est associé à l’institut Carnot Star pour valoriser le transfert technologique vers des applications industrielles.

• Implants bioélectroniques flexibles
• Systèmes cerveau-sur-puce
• Stimulations électro-optiques
• Outils moléculaires fluorescents 
• Microscopie 2 photon in vivo
• Microscopie non linéaire et courbe
• Imagerie quantitative de phase
• Impression 3D biocompatible 

• Maxim Cazorla, Direction et Coordination Microfluidique
• Rod O’Connor & David Moreau, Direction et Coordination Bioélectronique Translationnelle
• Alberto Lombardini, Coordination Neurophotonique