Thèse Sondes Cérébrales Épicorticales Flexibles à Nanoélectrodes 3D pour l'Enregistrement et la Stimulation In Vivo H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Direction de la thèse : Guilhem LARRIEU ORCID 0000000151572277 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle classe de sondes cérébrales épicorticales flexibles pour l'enregistrement et la stimulation neuronale in vivo. Il combinera les technologies de sondes flexibles développées à l'ICN2 Barcelone avec les concepts de nanoélectrodes 3D développés au LAAS-CNRS. L'objectif est de nano-architecturer localement certains sites électrodes afin d'améliorer le couplage entre les sondes flexibles et le tissu neuronal.

Les sondes épicorticales restent à la surface du cortex et correspondent à un domaine d'application distinct de celui des sondes intracorticales pénétrantes. Elles sont particulièrement pertinentes pour la cartographie corticale, le suivi large bande de l'activité cérébrale et la stimulation localisée, avec une invasivité réduite. Cependant, la plupart des sondes épicorticales flexibles actuelles reposent encore sur des sites électrodes planaires, ce qui peut limiter le couplage électrode-tissu, la sensibilité d'enregistrement et l'efficacité de stimulation.

Les réseaux de nanoélectrodes 3D offrent une voie prometteuse pour dépasser cette limite. Leur géométrie verticale à l'échelle nanométrique augmente la surface électrochimique effective, rapproche l'interface active des membranes neuronales et permet une stimulation plus localisée. L'hypothèse du projet est que l'intégration de nanoélectrodes 3D sur des sites sélectionnés de sondes épicorticales flexibles permettra d'améliorer la qualité d'enregistrement et l'efficacité de stimulation, tout en conservant la compliance mécanique nécessaire à une utilisation in vivo.
La thèse sera hébergée et principalement encadrée au LAAS-CNRS, Université de Toulouse, par Dr. Guilhem Larrieu, avec une co-direction internationale par Prof. Jose A. Garrido à l'ICN2 Barcelone. L'organisation envisagée est d'environ deux ans à Toulouse et un an à Barcelone. Le candidat bénéficiera ainsi de deux environnements européens majeurs en neuroélectronique : le LAAS-CNRS pour les nanoélectrodes 3D, la nanofabrication, la caractérisation électrochimique et les biointerfaces neuronales in vitro ; l'ICN2 pour les sondes flexibles, la bioélectronique à base de graphène et les interfaces cérébrales in vivo.
La méthodologie suivra une stratégie progressive allant de la technologie vers la validation biologique. Le candidat définira d'abord l'architecture de la sonde épicorticale flexible avec le partenaire barcelonais. Deux routes complémentaires d'intégration des nanoélectrodes 3D seront ensuite explorées et comparées : l'adaptation des règles de conception top-down du LAAS à des substrats flexibles, et une route de micro/nanofabrication additive 3D, par exemple par polymérisation à deux photons ou écriture directe, suivie d'une métallisation basse température.
Les dispositifs seront caractérisés d'un point de vue structural, mécanique et électrochimique, puis validés au LAAS à l'aide de modèles neuronaux 3D tels que des sphéroïdes ou des tissus dérivés d'organoïdes. Les électrodes flexibles planaires et les électrodes flexibles nano-ingénierées en 3D seront comparées en termes d'amplitude d'enregistrement, de rapport signal/bruit, de seuil de stimulation, de stabilité, de sélectivité spatiale et de compatibilité biologique. Les dispositifs optimisés seront ensuite transférés à l'ICN2 Barcelone pour une validation épicorticale in vivo.
Le résultat attendu est une stratégie compatible avec les substrats flexibles pour intégrer des nanoélectrodes 3D sur des sondes cérébrales épicorticales, ainsi que des règles de conception reliant géométrie, performances électrochimiques, robustesse mécanique et couplage neuronal. Le projet offrira au candidat une formation interdisciplinaire forte, de la salle blanche et de la micro/nanofabrication 3D à la neurotechnologie in vivo. Neural interfaces are essential tools to record and modulate brain activity. They are increasingly important for fundamental neuroscience, disease modelling, neurotechnology, and future bioelectronic therapies. A key challenge is to develop electrodes that combine mechanical compliance, stable biointegration, high recording sensitivity, and efficient electrical stimulation.
Flexible neural probes are attractive for in vivo brain applications because they reduce the mechanical mismatch between the device and neural tissue. Epicortical probes, which remain on the cortical surface, are particularly suited for cortical mapping, wide-band field-potential monitoring, and localized brain stimulation. They address a different application space from intracortical probes, which penetrate the brain tissue and face stronger constraints related to insertion damage and chronic stability.
In parallel, 3D nanoelectrode arrays have shown strong potential to improve the interface between electrodes and neural cells. Their vertical nanoscale geometry increases the effective electrochemical surface area, enhances local electrode-tissue coupling, and brings the active interface closer to neuronal membranes. This strong coupling can lead to a dramatic improvement in recording quality, with signal amplitudes reaching the millivolt range, up to nearly two orders of magnitude higher than those typically obtained with conventional planar microelectrodes. In addition, the submicron size of the 3D nanoelectrodes enables electrical stimulation to be confined to much smaller regions, opening the way to more localized and selective neural activation. However, most 3D nanoelectrode technologies are currently developed on rigid in vitro platforms and have not yet been translated to flexible in vivo brain probes.
This project will bridge these two fields by integrating 3D nanoelectrodes onto flexible epicortical probes. The central scientific question is whether nanoscale 3D engineering of the electrode site can improve the quality, stability, and selectivity of the neural interface while preserving the mechanical compliance required for in vivo use. The objective of the PhD is to develop a new generation of flexible epicortical brain probes whose active electrode sites are locally engineered with 3D nanoelectrodes.
Epicortical probes are placed on the cortical surface and are relevant for in vivo brain recording and stimulation with reduced invasiveness compared with penetrating intracortical probes. However, most current flexible epicortical probes still rely on planar electrode sites, which can limit local electrode-tissue coupling, recording sensitivity, and stimulation efficiency.
This PhD will investigate whether local 3D nanoelectrode engineering can improve the performance of flexible epicortical probes for localized neural recording and stimulation. The project will start from flexible probe technologies developed in Barcelona and will integrate 3D nanoelectrode concepts developed at LAAS-CNRS.
The main objectives are:
- To design flexible epicortical probes with selected electrode sites engineered as 3D nanoelectrode interfaces.
- To develop and compare two fabrication strategies: an adaptation of LAAS top-down nanoelectrode design rules to flexible substrates, and an additive 3D micro/nanofabrication route.
- To characterize the electrochemical and mechanical properties of the devices.
- To validate the devices in vitro using 3D neural models such as spheroids or organoids.
- To transfer optimized probes to Barcelona for in vivo epicortical validation.
The project will follow a progressive technology-to-biology strategy.
First, the candidate will define the flexible epicortical probe architecture together with the Barcelona partner. This will include the choice of substrate, encapsulation, electrode layout, pad geometry, packaging, bending constraints, sterilization compatibility, and in vivo implantation requirements.
Second, the project will explore and compare two complementary routes for integrating 3D nanoelectrodes onto flexible probes. The first route will adapt LAAS top-down nanoelectrode design rules to flexible substrates and low-temperature process constraints, building on previous experience in transferring nanoelectrode technologies onto thermally sensitive platforms. The second route will exploit the MultiFAB platform at LAAS, a state-of-the-art environment for 3D micro/nanofabrication and bioprinting for life sciences. Using approaches such as two-photon polymerization or direct writing, submicron 3D pillars will be fabricated directly on selected electrode pads, then functionalized by low-temperature conformal metallization and, if relevant, local PEDOT:PSS electrodeposition. This dual strategy will allow the candidate to compare a robust top-down integration approach with a more versatile additive manufacturing route.
Third, the devices will be characterized using optical and electron microscopy, electrochemical impedance spectroscopy, cyclic voltammetry, charge storage capacity, charge injection limit, voltage transient measurements, accelerated soaking in physiological medium, adhesion tests, and repeated bending tests.
Fourth, the most promising probes will be validated at LAAS using 3D neural models such as neuronal spheroids or organoid-derived tissues. Planar flexible electrodes and 3D nanoengineered flexible electrodes will be compared in terms of recording amplitude, signal-to-noise ratio, stimulation threshold, stability, spatial selectivity, and biological compatibility.
Finally, optimized devices will be transferred to ICN2 Barcelona for in vivo epicortical validation. The goal will be to demonstrate the relevance of 3D nanoelectrode-engineered flexible probes for in vivo brain recording and stimulation.