L’activité cérébrale se traduit par des courants ioniques circulant dans le réseau neuronal.La compréhension des mécanismes cérébraux implique de sonder ces courants, via des mesures électriques ou magnétiques, couvrant différentes échelles spatiales. A l’échelle cellulaire, les techniques d’électrophysiologie sont maitrisées depuis plusieurs décennies, mais il n’existe pas actuellement d’outils de mesure locale des champs magnétiques engendrés par les courants ioniques au sein du réseau neuronal. La magnéto-encéphalographie(MEG) utilise des SQUIDs(Superconducting QUantum Interference Devices)fonctionnant à très basse température, placés en surface du crâne, qui fournissent une cartographie des champs magnétiques mais dont la résolution spatiale est limitée du fait de la distance séparant les capteurs des cellules actives. Le travail présenté dans cette thèse propose de développer des capteurs magnétiques à la fois suffisamment sensibles pour être capable de détecter le champ magnétique extrêmement faible générés par les courants neuronaux (de l’ordre de 10⁻⁹ T), et dont la géométrie est adaptable aux dimensions des cellules, tout en fonctionnant à température ambiante. Ces capteurs,basés sur l’effet quantique de magnétorésistance géante (GMR, sont suffisamment miniaturisables pour être déposés à l’extrémité de sondes d’une finesse de l’ordre de 100 μm. L’utilisation de capteurs GMR pour la mesure de signaux biomagnétiques fut d’abord testée lors d’expériences in-vitro, réalisées sur le muscle soléaire de souris. Ce système biologique a été choisi pour sa simplicité,rendant la modélisation accessible, ainsi que pour sa robustesse, permettant d’avoir des résultats fiables et reproductibles. Le parfait accord entre les prédictions théoriques et les signaux magnétiques mesurés valide cette technologie. Enfin, des expériences in vivo dans le cortex visuel du chat ont permis de réaliser la toute première mesure de la signature magnétique de potentiels d’action générés par des neurones corticaux, ouvrant la voie à la magnétophysiologie. / Information transmission in the brain occurs through ionic currents flowing inside the neuronal network. Understanding how the brain operates requires probing this electrical activity by measuring the associated electric or magnetic field. At the cellular scale, electrophysiology techniques are well mastered, but there is no tool to perform magnetophysiology. Mapping brain activity through the magnetic field generated by neuronal communication is done via magnetoencephalography (MEG). This technique is based on SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) that operate at liquid Helium temperature. This parameter implies to avoid any contact with living tissue and a shielding system that increases the distance between the neurons and the sensors, limiting spatial resolution. This thesis work aims at providing a new tool to performmagnetic recordings at the neuronal scale. The sensors developed during this thesis are based on the Giant Magneto-Resistance (GMR) effect. Operating at room temperature, they can be miniaturize and shaped according to the experiment, while exhibiting a sensitivity that allows to measure amplitude of 10⁻⁹ T. Before targeting neurons, the use of GMR-based sensors for magnetic recordings of biological activity has been validated through invitro experiments on the mouse soleus muscle. This biological system has been chosen because of its simple organization, allowing for a realistic modelling, and for its robustness, in order to get reliable and replicable results. The perfect agreement between the measurements and the theoretical predictions represents a consistent validation of the GMR technology for biological applications. Then a specially adapted needle-shaped probe carrying micron-sized GMR sensors has been developed for in-vivo experiment in cat visual cortex. The very first magnetic signature of action potentials inside the neuropil has been measured, paving the way towards magnetophysiology.

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 magnetoencéphalographie (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 nécessite 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 miniaturisé 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 tissues (tranche d'hippocampe, muscle ou cortex), les autres sont des sondes pointus, conçus 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 la 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 10-20 nTpp. Ces résultats ouvrent la voie à magnetophysiologie locale qui est une nouvelle approche d'exploration et d'interfaçage cerveau. / 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.