Ce travail de thèse traite de la caractérisation par spectroscopie d'impédance d'échantillons biologiques de très faibles dimensions. Les phénomènes de polarisation, classiques en spectroscopie d'impédance, créent une contrainte et augmentent l'erreur de mesure en basses fréquences. L'objectif principal de cette thèse est l'optimisation géométrique de la structure d'un capteur à électrodes interdigitées afin d'élargir la bande de fréquence utile. Le premier chapitre synthétise les données fondamentales relatives au comportement électrique des tissus biologiques ainsi que leurs propriétés électriques. Un état de l'art des techniques fondamentales de mesure d'impédance basées sur les électrodes micrométriques est aussi décrit. Le deuxième chapitre concerne une approche théorique pour l'optimisation du capteur. Cette optimisation sert à élargir la bande de fréquence utile de mesure. Elle consiste à choisir un rapport optimum de distance inter-électrodes sur largeur d'électrode. Une modélisation tridimensionnelle du système d'électrodes chargé par un milieu biologiquea été simulée sous ConventorWare©. Les résultats de cette simulation sont discutés. Le troisième chapitre traite de la conception et de la réalisation des biocapteurs. Les dispositifs technologiques développés sont décrits. La conception et la fabrication des composants sont présentées. Dans le dernier chapitre, une campagne de mesure sur des micro-volumes de fluides (solutions étalons, sang humain) est réalisée. Les mesures sont effectuées à l'aide de cinq micros capteurs à électrodes interdigitées. Les mesures réalisées sur des échantillons (solution étalons, sang humain) ainsi que la validation des dispositifs sont discutées. Les résultats obtenus sont comparés à des valeurs publiées dans la littérature et la théorie d'optimisation développée est validée et justifiée expérimentalement / The characterization by impedance spectroscopy of biological micro samples is one of the objectives of this thesis. The well known polarization phenomena at low frequency is a constraint that increases the measurement error. The main objective of this thesis is to optimize the geometric structure of an interdigitated electrode sensor in order to obtain confident experimental results in an extended useful frequency band without a significant influence of the polarization effect. The first chapter synthesizes fundamental data on the electrical behavior of biological tissues and their electrical properties. A state of the art techniques of the fundamental impedance measurement based on micrometric electrodes is also presented. The second chapter developps a theoretical approach for optimization of the biosensor. This optimization is used to expand the usable measurement. Indeed, it leads to determine the optimum distance between electrodes versus electrode width. A 3D modeling of the electrode system loaded by a biological medium was simulated using ConventorWare and the results are discussed. In the third chapter, the devices developed in this work are described. Design and manufacture of the biosensor components are described. In the last chapter, measurements on microvolumes of fluids (standard solutions, human blood) using five micros sensors with interdigitated electrodes are presented and discussed. Finally we compare these results to published values in the literature and the optimization theory is experimentally validated

L'interaction entre la biologie et l électronique est une discipline en pleine essort. De nombreux systèmes électroniques tentent de s interconnecter avec des tissus ou des cellules vivantes afin de décoder l information biologique. Le Potentiel d action (PA) est au cœur de codage biologique et par conséquent il est nécessaire de pouvoir les repérer sur tout type de signal bio-logique. Par conséquent, nous étudions dans ce manuscrit la possibilité de concevoir un circuit électronique couplé à un système de microélectrodes capable d'effectuer une acquisition, une détection des PAs et un enregistrement des signaux biologiques. Que ce soit en milieu bruité ou non, nous considérons le taux de détection de PA et la contrainte de temps réel comme des notions primordiales et la consommation en silicium comme un prix à payer. Initialement développés pour l étude de signaux neuronaux et pancréatiques, ces systèmes conviennent parfaitement pour d autres type de cellules.

Le diamant est un matériau fascinant avec d'exceptionnelles propriétés physiques. Son application à divers domaines reste limitée parce que sa fabrication est difficile et nécessite des substrats et conditions spécifiques. En outre, les dispositifs de diamant tels que les capteurs nécessitent généralement la structuration et l'échelle micro ou nanométrique, et l'inertie chimique du diamant rend ce processus technologique plus difficile que celui des semiconducteurs réguliers. Il s'agit d'un besoin évident de la recherche fondamentale d’explorer de nouvelles façons de fabriquer des nanostructures de diamant, ce qui permet de nouvelles formes de capteurs et dispositifs. Dans ce contexte, le travail présenté est d'une grande importance pour la communauté de diamant et pour le développement futur de la technologie du diamant.Le manuscrit est divisé en huit parties: une introduction; 6 chapitres, une conclusion générale. Dans l'introduction le contexte de l'étude est brièvement présenté avec les deux objectifs. Le premier consistait à étudier la croissance des nanofils de diamant et à trouver des conditions appropriées pour obtenir des nanofils de façon reproductible. Le deuxième objectif était la mise au point du procédé de gravure du diamant avec des particules de catalyseur et de l'optimisation des paramètres du procédé.Le premier chapitre de ce manuscrit présente tout d'abord l'état de l’art en mat ière de propriétés et des technologies de croissance du diamant. Puis, dans le deuxième chapitre, en vue de la croissance des nanofils et des études de gravure de nanostructures utilisées catalyseurs métalliques, la base de l'interaction métal-carbone est présenté.Le chapitre trois contient l'instrumentation et principe de fonctionnement des techniques expérimentales et analytiques utilisées dans cette étude. Le chapitre suivant se concentre sur la recherche de conditions favorables à la croissance des nanofils de diamant, d'abord en étudiant en détail un processus signalé en 2005 qui a conduit à la nucléation des nanocristaux sur des nanotubes de carbone, puis la croissance de nanofils.Les conditions de croissance ont été soigneusement reproduites, sans succès reproductible. Il en est déduit déduit que d'un élément non a contribué à la croissance, comme une contamination du catalyseur. La combinaison avec le fait que le processus publiée en 2005 n'a jamais été reproduite, en dépit de son importance technologique élevé, ce qui suggère que la contamination s'est produite également dans cette oeuvre originale.Puis, à partir de cette première observation, l'effet d'un catalyseur a été étudié, et des résultats intéressants ont été obtenus. Les nanofils ont été obtenus de façon reproductible, mais le point important est que les nanofils à base de silicium sont très faciles à cultiver, et qu'un environnement deCarbone pur était nécessaire d'étudier la croissance de nanofils de carbone. Dans ces conditions, un continuum allant de diamant de gravure pour la croissance du diamant a été obtenue en fonction de l'apport de carbone, très intéressant pour la technologie du diamant. Dans le cinquième chapitre du mécanisme de gravure de diamant par des particules de catalyseur est explorée. La gravure à motifs a été proposée pour la fabrication de nano-ou micro-structures dans le diamant, et il est présenté dans la dernière partie de ce chapitre. Le chapitre 6 présente deux applications intéressantes du processus dedéveloppement. Les premières membranes poreuses préoccupations utilisés comme bio-capteurs, et les nanotubes de carbone second concerne la base neuro-capteurs.Malgré l'étude infructueuse de la croissance du diamant nanofil, le travail fait des progrès significatifs à la science de la croissance matérielle nanocarbone. Et elle a conduit à l'étude approfondie de gravure diamant, qui est également très important pour la technologie. / One-dimensional structures with nanometre diameters, such as nanotubes and nanowires, have attracted extensive interest in recent years and form new family of materials that have characteristic of low weight with sometimes exceptional mechanical, electrical and thermal properties. Without any change in chemical composition, fundamental properties of bulk materials can be enhanced at the nanometre scale leading to extraordinary nanodevices.Since a few years, nanowires of different semiconducting materials have been grown. To mention few of these, Si, GaN, SnO, SiC and ZnO nanowires were all successfully demonstrated. However, the growth of diamond nanowires has not yet been demonstrated, despite the strong interest for this material. Bulk diamond combines various exceptional properties for a wide range of applications: Chemical inertness, radiation hardness, biocompatibility, high hole/electron mobility (2000/1000 cm2/V/s), high thermal conductivity (22 W/cm/K), wide bandgap (5.5 eV), and wide electric potential window (3.25 eV H-O evolutions).Since about 30 years, the growth of diamond thin film is well controlled either as insulator or as semiconductor with p- and n- type dopants. Fabrication of 25x25 mm2 monocrystalline diamond wafer has already been reported, and two inches wafers are expected in a couple of years demonstrating the growing interest for this material. Among present or short-term applications one can mention alpha-particle detectors, solar-blind UV sensors, high voltage electronic devices, bio-sensors and single photon source. The realization of nanowires should improve the performance of some of these devices and also open a range of new high performance applications.The stability of 0D (nanocrystals) and 1D (nanowires) diamond nanostructures has been extensively studied using ab initio modelling and indicates that for specific crystallographic orientations clusters of nanometric size are thermodynamically stable. One experimental indication for diamond nanowire growth has been published by Sun et al. in 2005, based on nanocrystal nucleation and growth on carbon nanotubes followed by 1D growth. This particular nucleation process on carbon nanotube has furthermore been explained theoretically in 2009.Based on these experimental and theoretical results, the first objective of this thesis was to explore the growth of diamond nanowire and find suitable conditions to obtain nanowires in a reproducible way. A wide range of process conditions were explored, first without any catalyst, then with metallic catalyst in order to promote Vapour-Liquid-Solid (VLS) growth. Although a comprehensive knowledge regarding carbon nanotube stability in hydrogen atmosphere and diamond-catalyst interaction has been obtained and some carbon nanostuctures were grown, no diamond nanowires were obtained in a reproducible way.However, the careful study of the diamond-catalyst interaction revealed a very interesting etching process that could be very useful for the fabrication of diamond nanostructures. A second objective was then defined: development of the etching process for diamond using transition metal as catalyst and optimization of the process parameters for specific applications such as the fabrication of porous diamond membranes for bio-sensors.

L’intéraction entre la biologie et l’électronique est une discpline en pleine essort. De nom-breux systèmes électroniques tentent de s’interconnecter avec des tissus ou des cellules vivantesafin de décoder l’information biologique. Le Potentiel d’action (PA) est au coeur de codagebiologique et par conséquent il est nécéssaire de pouvoir les repérer sur tout type de signal bio-logique. Par conséquent, nous étudions dans ce manuscrit la possibilité de concevoir un circuitélectronique couplé à un système de microélectrodes capable d’effectuer une acquisition, unedétection des PAs et un enregistrement des signaux biologiques. Que ce soit en milieu bruitéou non, nous considérons le taux de détection de PA et la contrainte de temps réel commedes notions primordiales et la consommation en silicium comme un prix à payer. Initialementdéveloppés pour l’étude de signaux neuronaux et pancréatiques, ces systèmes conviennent par-faitement pour d’autres type de cellules. / Interaction between biology and electronic is in expansion. Many electronic systems aretrying to interconnect with tissues or living cells to decode biological information. The ActionPotential (AP) is the heart of biological coding and therefore it is necessary to be able to locateit from any type of biological signal. Therefore, we study in this manuscript the possibility ofdesigning an electronic circuit coupled to microelectrodes capable of acquisition, detection ofPAs and recording of biological signals. Whether or not in a noisy environment, we consider thedetection rate of PA and the real time-computing constraint as an hard specificationand andsilicon area as a price to pay. Initially developed for the study of neural signals and pancreatic,these systems are ideal for other types of cells.

Tous les réseaux de neurones immatures génèrent une activité dite « spontanée »qui persiste même en l’absence de toute afférence et est impliquée dans de nombreux processus développementaux. Cette activité apparaît in vitro sous formes de vagues calciques ou électriques pouvant se propager sur de grandes distances et embraser toute la préparation. Toutefois, sa dynamique a été assez peu étudiée jusqu’à présent. En vue de combler quelque peu cette lacune, nous avons utilisé des matrices de microélectrodes (MEA) pour caractériser l’activité rythmique spontanée dans la moelle épinière embryonnaire de souris, sur des préparations aigues et en culture incluant également le tronc cérébral.Les enregistrements MEA produisent des volumes de données très importants qui nécessitent des outils d’analyse performants et adaptés à l’information que l’on souhaite extraire. Nous avons donc développé des méthodes pour la détection, la classification et la cartographie des patrons spatiotemporels d’activité dans les données multicanaux. Notre approche cartographique utilise l’interpolation par splines et est orientée vers la production de cartes multimodales combinant l’activité électrique et des données anatomiques ou biochimiques (marquages). Ces méthodes d’analyse nous ont permis de décrire très précisément l’évolution de l’activité spontanée aux stades précoces (E12.5–E15.5). Nous avons également montré que, à E14.5, l’activité est initiée dans le bulbe, plus précisément dans une région riche en neurones 5-HT, suggérant un nouveau rôle des voies sérotoninergiques descendantes dans la maturation des réseaux spinaux.Enfin, nous avons analysé les mouvements embryonnaires à E14.5 et avons découvert des caractéristiques analogues à la dynamiques spatiotemporelle des activités intraspinales. / Immature neural networks generate a peculiar type of activity that persists even in the absence of electrical inputs and was termed for this reason “endogenous”or “spontaneous”. This activity is ubiquitous and was found involved in a wide range of developmental events. In vitro, it can be observed as calcium or electrical waves propagating over great distances, often invading the whole preparation,but its dynamics remain poorly described. In order to somewhat fill this gap,we used multielectrode arrays (MEAs) to characterise the spontaneous rhythmic activity in the mouse developing spinal cord, in both acute and cultured isolated hindbrain-spinal cord preparations.To extract relevant information from the massive amounts of data yielded by MEA recordings, adapted analysis tools are needed. Thus, we have developedmethods for the detection, classification and mapping of spatiotemporal patternsof activity in multichannel data. Our mapping approach is based on the thin plates pline interpolation and includes the possibility to combine maps of activity with anatomical or stained data for multimodal imaging.These methods allowed us to analyse in great detail the evolution of spontaneousactivity at early stages (E12.5–E15.5). In addition, we have localised theinitiation site of E14.5 activity in the medulla and shown that it matches a densemidline population of serotoninergic neurons, suggesting a new role for 5-HTpathways in the maturation of spinal networks. Finally, we have recorded andtracked spontaneous limb movements of E14.5 embryos and found that features of motility were consistent with patterns of spinal activity.

Cette thèse a pour objectif de contribuer à la modélisation, à la simulation et à l’analyse des signaux contenant des potentiels d’action extracellulaires (EAPs), tels que mesurés in-vivo par des microélectrodes implantées dans le cerveau. Les modèles actuels pour la simulation des EAPs consistent soit en des modèles compartimentaux très détaillés et lourds en calcul, soit en des modèles dipolaires jugés trop simplistes. Dans un premier temps, une approche de simulation des EAPs se situant entre ces deux extrêmes est proposée, où la somme des contributions des compartiments du neurone est traitée comme une convolution, appliquée aux courants membranaires d’un seul compartiment actif. L'analyse des EAPs passe par une étape de classification des potentiels d'action détectés dans le signal enregistré, qui consiste à discriminer les formes de potentiels d’action et ainsi à identifier l'activité de neurones uniques. Dans cette thèse, une nouvelle approche basée sur l’inférence bayésienne est développée permettant l'extraction et la classification simultanées des EAPs. La méthode est appliquée à des signaux générés à l'aide de l'approche de simulation proposée plus haut, confirmant la qualité de la méthode de classification introduite et illustrant la capacité de la méthode de simulation à générer des EAPs réalistes de formes diverses et discriminables. Nous avons enrichi une modélisation de l’activité hippocampique réalisée dans l’équipe permettant de reproduire des oscillations dans ces bandes fréquentielles spécifiques en introduisant les EAPs, ceci afin d’évaluer les contributions de l'activité synaptique et celle des potentiels d’action à certaines bandes de fréquence des signaux enregistrés. Finalement, une étude sur signaux réels enregistrés dans le cadre de l'étude de la perception des visages chez l'homme a été menée, illustrant les performances de la méthode de spike sorting proposée dans un cadre réel et ouvrant la discussion sur les perspectives qu'offrent ces travaux de thèse pour l'étude de questions neuroscientifiques basées sur l'analyse de signaux multi-échelle. / The objective of this thesis is to contribute to the modelling, simulation and analysis of signals containing extracellular action potentials (EAPs), as measured in vivo by microelectrodes implanted in the brain. Current models for the EAPs simulation consist either of very detailed and computationally heavy compartmental models or dipole models considered too simplistic. An EAP simulation approach between these two extremes is proposed, where the sum of the contributions of the neuron compartments is treated as a convolution, applied to the membrane currents of a single active compartment. The analysis of EAPs involves a step of classifying the action potentials detected in the recorded signal, which consists in discriminating the forms of action potentials and thus identifying the activity of single neurons In this thesis, a new approach based on Bayesian inference is developed allowing the simultaneous extraction and classification of EAPs. The method is applied to signals generated using the simulation approach proposed above, confirming the quality of the sorting method introduced and illustrating the ability of the simulation method to generate realistic EAPs of various and discriminatory forms. We modified a model of hippocampal activity previously proposed in our team, able to reproduce oscillations in specific frequency bands, by including the EAPs model, which allowed to evaluate the contributions of synaptic activity and that of action potentials the recorded signals. Finally, a study on real signals recorded as part of the study of face perception in humans is conducted, illustrating the performance of the proposed spike sorting method in a real setting and opening the discussion on the perspectives offered by this thesis work for the study of neuroscientific questions based on multiscale signal analysis.