Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Tanguy Fardet effectuée sous la direction de Pascal Monceau, Samuel Bottani et Stéphane Métens.

Soutenance le mardi 18 septembre 2018 à 14h.

Lieu : bâtiment Condorcet, amphithéâtre Pierre-Gilles de Gennes (bâtiment Condorcet, niveau -1). La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage.

Growth and activity of neuronal cultures, emergence of organized behaviors

Résumé : Dans cette thèse, je propose plusieurs modèles et outils numériques afin de mieux comprendre et prédire le comportement et le développement de cultures et dispositifs neuronaux. Ces cultures et dispositifs neuronaux servant ensuite à étudier la manière dont les neurones traitent l’information et permettent d’améliorer notre compréhension du cerveau. Je détaille en particulier un mécanisme permettant d’expliquer les bouffées d’activité épileptiformes qui constituent le comportement par défaut des cultures neuronales et je fournis une formulation théorique concise de ce mécanisme. Ce modèle m’a permis de réaliser des prédictions concernant l’influence de différentes propriétés des neurones sur le comportement collectif, puis de vérifier expérimentalement que ces prédictions étaient compatibles avec le comportement observé in vitro. Je décris ensuite plus en détail la dynamique spatio-temporelle du phénomène, notamment le fait que les bursts nucléent en des zones bien précises des réseaux neuronaux. Ayant constaté l’importance de la structure du réseau neuronal sur l’activité qui s’y développe, j’ai développé une plateforme de simulation tenant compte des interactions entre les neurones et leur environnement pour décrire l’intégralité du processus de croissance neuronal. Les neurones générés par cette plateforme permettent alors de réaliser des réseaux neuronaux qui décrivent de manière plus vraisemblable des cultures de neurones ainsi que des dispositifs neuronaux plus complexes. Les résultats préliminaires des activités entretenues par ces structures sont en outre compatibles avec les observations expérimentales. Enfin, je discute plusieurs directions de recherche possibles, pour lesquelles l’utilisation de dispositifs neuronaux spécifiques permettrait de contourner les limitations des cultures neuronales et fournirait ainsi de nouvelles informations sur les processus sous-tendant le développement et la plasticité cérébrale.