De par le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus de personnes. Ces maladies, trouvant leur siège dans la plupart des cas au sein des neurones, restent mal comprises. Dans le but d'améliorer notre connaissance des dysfonctionnements causés lors de ce type d'agression, il est indispensable de raffiner notre analyse (neurones individuels). Les dispositifs à base de nanofils (nanosondes verticales ou transistors à NF) offrent une valeur ajoutée certaine concernant l'interfaçage de dispositifs nanoélectroniques avec les cellules vivantes. En effet, leurs sections sont beaucoup plus petites que les dimensions des cellules, les rendant peu intrusifs et leur grand rapport surface/volume permet une forte interaction NF-cellule. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de co-intégrer ces deux types de capteurs passifs et actifs sur une même plateforme à l'aide d'un procédé basé sur une approche top-down, couplant des étapes de photolithographie conventionnelle et de gravure plasma. Afin de tirer parti de la dimension de ces capteurs, particulièrement adaptée à l'interfaçage de cellules individuelles, une approche innovante de fabrication de réseaux organisés de neurones par fonctionnalisation chimique de surface sera présentée. Basée sur l'auto-alignement de molécules d'adhésion grâce à un fort contraste hydrophile/hydrophobe de la surface de l'échantillon, elle permet de contrôler très précisément la localisation spatiale des somas et de guider la croissance des prolongements. De larges réseaux organisés de neurones ont ainsi pu être réalisés, avec un taux élevé de somas individuels (74% des sites occupés). La croissance des prolongements est également maîtrisée à l'échelle sub-micronique. Couplée aux dispositifs d'enregistrement présentés précédemment (nano-sondes passives et transistors à NF), cette maîtrise de la croissance des neurones ouvre de nombreuses perspectives pour le suivi multi-site de l'activité électrique au sein d'une culture neuronale. La chaîne d'acquisition nécessaire au transport de l'information enregistrée depuis le capteur (échelle nanométrique) jusqu'à la visualisation des signaux sera ensuite présentée. Des cultures de neurones ont été réalisées sur cette plateforme et une activité électrique spontanée (PAs et LFPs) a pu être enregistrée après 9DIV par les nanosondes passives. Ces résultats restent à ce jour, inédits avec de tels dispositifs passifs à nanofils sur des neurones de rongeurs. Plusieurs stimulations chimiques (dépolarisation KCl et potentialisation bicuculline) ont également été effectuées, permettant de valider le fonctionnement des transistors et de comparer les deux approches (passive et active). Le caractère multi-sites des enregistrements à l'aide des nanosondes a aussi été mis en évidence. Enfin, des stimulations électriques localisées à l'aide des nanosondes verticales ont été réalisées et des LFPs provenant de l'excitation des neurones voisins du capteur ont pu être enregistrés, démontrant ainsi la bidirectionnalité de l'interaction. / Due to constant aging of world population, the struggle against neurodegenerative diseases is one of the major challenges in the near future and a better understanding of these pathologies goes through an improvement of basic mechanism knowledge involved in neuronal networks. In that scope, miniaturization of electronic components opens new perspectives for addressing such issues and holds great promise to improve the resolution levels. 1D-nanostructures such as NW-FET or NW-probes, offer real benefits thanks to their very small sections allowing to be less intrusive combined with their high surface-to-volume ratio leading to a higher affinity with cells. Here, we propose to co-integrate passive and active devices based on 1D nanostructures on the same platform (vertical NW probes and NW-FETs), to accurately compare advantages and drawbacks of each configuration regarding neuron electrical activity measurement. The two NW devices are fabricated with a large scale and cost effective top-down approach combining conventional lithography tools, plasma etching and sacrificial oxidation step to tune the nanostructure geometry. A core-shell-type device has been developed with a conductive part at the center, encapsulated by a conformal silicon oxide to insulate the probing nanostructures from liquid. In parallel, silicon NW-FETs are created with a planar NW channel (50 nm) connected by two highly doped low resistive regions. The device operation has been characterized in liquid environment (interface impedance of passive probes and pH sensing for transistors). Primary rat cortical neuronal cultures have been grown in-vitro with an unprecedented surface functionalization approach to precisely locate single neurons and guide the growth of their extensions. The approach allows the perfect location of somas on devices and the control of neurite growth at sub-micrometer scale. After 10 days-in-vitro, we detected for the first time spontaneous mammalian neuron action potentials using passive vertical NW-probes. Thereafter, several kinds of stimulation protocols have been implemented: (i) at the network level, with chemical stimulations such as KCl depolarization to mimic epileptic synchronization or with more refined stimulation (bicuculline). Local field potentials from few somas and action potentials from single neurons have been successfully recorded with a maximal signal-to-noise ratio of 10 for transistors compared to 40 for passive probes. (ii) At the cell level, where bi-directionality of passive probes have been used to locally trigger neuronal activity under electrical stimulation. Finally, multi-site recordings with vertical probes have been used to compare extra and intracellular probing.

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Du fait de sa complexité, le fonctionnement du cerveau est exploré par des méthodes très diverses, telles que la neurophysiologie et les neurosciences cognitives, et à des échelles variées, allant de l'observation de l'organe dans son ensemble jusqu'aux molécules impliquées dans les processus biologiques. Ici, nous proposons une étude à l'échelle cellulaire qui s'intéresse à deux briques élémentaires du cerveau : les neurones et les cellules gliales. L'approche choisie est la biophysique, de part les outils utilisés et les questions abordées sous l'angle de la physique. L'originalité de ce travail est d'utiliser des cellules primaires du cerveau dans un souci de proximité avec l'in vivo, au sein de systèmes in vitro dont la structure chimique et physique est contrôlé à l'échelle micrométrique. Utilisant les outils de la microélectronique pour un contrôle robuste des paramètres physico-chimiques de l'environnement cellulaire, ce travail s'intéresse à deux aspects de la biologie du cerveau : la polarisation neuronale, et la sensibilité des cellules gliales aux propriétés mécaniques de leur environnement. A noter que ces deux questions sont étroitement imbriquées lors de la réparation d'une lésion. La première est cruciale pour la directionalité de la transmission de signaux électriques et chimiques et se traduit par une rupture de symétrie dans la morphologie du neurone. La seconde intervient dans les mécanismes de recolonisation des lésions, dont les propriétés mécaniques sont altérées., Les études quantitatives menées au cours de cette thèse portent essentiellement sur la phénoménologie de la croissance de ces deux types de cellules et leur réponse à des contraintes géométriques ou mécaniques. L'objectif in fine est d'élucider quelques mécanismes moléculaires associés aux modifications de la structure cellulaire et donc du cytosquelette. Un des résultats significatifs de ce travail est le contrôle de la polarisation neuronale par le simple contrôle de la morphologie cellulaire. Ce résultat ouvre la possibilité de développer des architectures neuronales contrôlées in vitro à l'échelle de la cellule individuelle. / The complex structure of the brain is explored by various methods, such as neurophysiology and cognitive neuroscience. This exploration occurs at different scales, from the observation of this organ as a whole entity to molecules involved in biological processes. Here, we propose a study at the cellular scale that focuses on two building elements of brain: neurons and glial cells. Our approach reachs biophysics field for two main reasons: tools that are used and the physical approach to the issues. The originality of our work is to keep close to the in vivo by using primary brain cells in in vitro systems, where chemical and physical environments are controled at micrometric scale. Microelectronic tools are employed to provide a reliable control of the physical and chemical cellular environment. This work focuses on two aspects of brain cell biology: neuronal polarization and glial cell sensitivity to mechanical properties of their environment. As an example, these two issues are involved in injured brains. The first is crucial for the directionality of the transmission of electrical and chemical signals and is associated to a break of symmetry in neuron morphology. The second occurs in recolonization mechanisms of lesions, whose mechanical properties are impaired. During this thesis, quantitative studies are performed on these two cell types, focusing on their growth and their response to geometrical and mechanical constraints. The final aim is to elucidate some molecular mechanisms underlying changes of the cellular structure, and therefore of the cytoskeleton. A significant outcome of this work is the control of the neuronal polarization by a simple control of cell morphology. This result opens the possibility to develop controlled neural architectures in vitro with a single cell precision.