Du fait de leur très haute sensibilité, les capteurs magnétiques basés sur le principe de la magnétorésistance géante (Giant Magneto Resistance – GMR) ont de nombreuses applications, principalement dans le domaine de l'engistrement magnétique. Les applications biologiques ne sont pas en reste, puisque l'activité biologique (neuronale, musculaire, …) s'accompagne de faibles courants électriques, source de très faibles champ magnétiques, que l'on est aujourd'hui capable de mesurer.
Au delà des mesures réalisées en magnétoencéphalographie ou magnétocardiographie, l'équipe du LNO a développé des sondes à base de capteurs GMR qui permettent de mesurer localement un signal magnétique lié à une activité biologique. Le succès des premières mesures in vitro sur des neurones musculaires va permettre de poursuivre les études vers des mesures in vivo de l'activité neuronale.
Les différentes sources à l’origine de l’activité électrique du cerveau, du cœur, ou des muscles squelettiques sont aujourd’hui bien identifiées grâce aux techniques d’électrophysiologie, dont les mesures à différentes échelles ont permis d’en comprendre les mécanismes sous-jacents. Cette activité électrique génère un champ magnétique dont la détection n’a jusqu’à présent été possible qu’à l’échelle cérébrale, via la magnétoencéphalographie (MEG). Cette technique utilise des SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) dont le fonctionnement à très basse température s’avère rédhibitoire pour des mesures au contact de tissus biologiques.
Notre étude présente le développement d’un capteur biocompatible, basé sur l’effet de magnétorésistance géante (GMR), pour la mesure du champ magnétique généré par la propagation d’un potentiel d’action lors de la stimulation d’un muscle squelettique. Les capteurs GMR fonctionnent à température ambiante et l’indépendance de leur sensibilité à la miniaturisation permet de concevoir un design adapté à n’importe quelle préparation biologique. Afin de valider cette technologie, une structure in vitro simple et facilement modélisable a été choisie : le muscle soléaire de souris. D’environ 1 cm de longueur, il présente une organisation de fibres parallèles dont la robustesse de la transmission synaptique assure une parfaite synchronie à la stimulation et maximise le champ attendu. La forme et l’amplitude des champs mesurés, de l’ordre de 2 nT, sont parfaitement en accord avec les modèles théoriques.
a) Setup expérimental : le muscle est fixé par les tendons sur le capteur et immergé dans une solution saline afin de maintenir son oxygénation. La stimulation électrique, générée via la pipette, crée un potentiel d’action qui se propage le long du nerf jusqu’à la jonction neuromusculaire, puis jusqu’aux deux extrémités. Le capteur GMR est situé sous le muscle. b) Signaux attendus (rouge) et mesurés (noir) : les deux capteurs situés aux extrémités voient des courants ioniques intramusculaires symétriques, tandis que le capteur central moyenne spatialement ces deux contributions, ce qui justifie l’absence de signal. c) Design du capteur comportant 3 parties sensibles de 2mm*400µm, enregistrées simultanément lors de chaque expériences.
L’accord entre les modèles théoriques et ces résultats démontrent que les capteurs magnétorésistifs représentent un nouvel outil technologique pour l’enregistrement de signaux biologiques à l’échelle cellulaire. Les futurs travaux consistent à développer de nouveaux capteurs permettant des mesures in vivo au niveau de neurones corticaux, ce qui permettra d’aller plus loin dans la compréhension des sources locales et de faire le lien avec les signaux mesurés à l’échelle cérébrale en magnétoencéphalographie.
Référence :
Local recording of biological magnetic fields using Giant Magneto Resistance-based micro-probes,
F. Barbieri, V. Trauchessec, L. Caruso, J. Trejo-Rosillo, B. Telenczuk, E. Paul, T. Bal, A. Destexhe, C. Fermon, M. Pannetier-Lecoeur & G. Ouanounou, · Scientific Reports 6, (2016).
Contact CEA : Myriam Pannetier-Lecoeur, SPEC/LNO.