Étude expérimentale des forces mécaniques induites par ultrasons focalisés pour la neurostimulation

Proposition de stage Master 2 ou école ingénieurs 3A Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique LMA  & Institut de Biologie du Développement de Marseille IBDM  

Contact : Emilie Franceschini    email: franceschini@lma.cnrs-mrs.fr 

• Profil : étudiant en Master 2 ou école ingénieur 3A de physique, biophysique, acoustique et/ou neurosciences, avec une bonne maitrise de la programmation Matlab/Python et un intérêt pour l’expérimental. 
• Durée du stage : 4 à 6 mois à partir de février 2024                
• Gratification : 600 €/ mois
• Possibilité de poursuite en thèse : oui, suivant le classement à l’école doctorale (si bourse ministérielle) 

La neurostimulation par ultrasons focalisés est une voie de recherche prometteuse pour stimuler à distance les neurones. Les avantages principaux des ultrasons seraient de permettre une stimulation ciblée de différentes populations de neurones de façon non-invasive, au contraire de la stimulation électrique standard. Cependant, les mécanismes physiques et moléculaires impliqués dans ce processus ne sont encore pas bien compris. Les laboratoires LMA et IBDM à l’université d’Aix-Marseille ont récemment démontré que les neurones sensoriels primaires peuvent être activés par ultrasons. A cette fin, un dispositif expérimental a été mis en place pour faire le suivi des réponses calciques sur des neurones sensoriels soumis à des stimuli ultrasonores. (L’imagerie calcique consiste à suivre les changements de concentration intracellulaire en ions calcium pour quantifier l’activité évoquée des neurones.) L’objectif du stage est de comprendre les mécanismes physiques impliqués dans la neurostimulation par ultrasons.

Plusieurs hypothèse, basées sur des effets thermiques et mécaniques, ont été proposées dans la littérature pour expliquer les mécanismes physiques sous-jacents à la stimulation ultrasonore des neurones. L’hypothèse la plus probable est que les ultrasons focalisés agissent par action mécanique grâce aux forces de radiation acoustique et/ou de streaming acoustique qui viennent étirer et déformer la membrane des cellules, provoquant l’ouverture ou la fermeture de canaux ioniques mécano-sensitifs, qui vont eux-mêmes dépolariser les neurones et générer des potentiels d’action. L’objectif du stage est de quantifier les forces mécanique (forces de radiation acoustique et forces hydrodynamiques induites par streaming acoustique) mises en jeu dans notre dispositif expérimental pour différents stimuli ultrasonores. A cette fin, les forces de radiation acoustique seront évaluées en mesurant l’écrasement de microsphères de polyacrylamide sous l’effet des ultrasons focalisés, l’élasticité des microsphères étant connue. Par ailleurs, l’écoulement induit par streaming acoustique sera ensemencé par des particules-traceurs, et le suivi de ces particules-traceurs sera effectué par une caméra ultra-rapide afin d’estimer les vitesses des particules puis les forces hydrodynamiques. Des expériences complémentaires à différentes fréquences ultrasonores seront aussi menées sur des neurones en culture pour suivre leur activité en imagerie calcique afin d’étudier les conditions nécessaires à leur stimulation.

Plusieurs hypothèse, basées sur des effets thermiques et mécaniques, ont été proposées dans la littérature pour expliquer les mécanismes physiques sous-jacents à la stimulation ultrasonore des neurones. L’hypothèse la plus probable est que les ultrasons focalisés agissent par action mécanique grâce aux forces de radiation acoustique et/ou de streaming acoustique qui viennent étirer et déformer la membrane des cellules, provoquant l’ouverture ou la fermeture de canaux ioniques mécano-sensitifs, qui vont eux-mêmes dépolariser les neurones et générer des potentiels d’action. L’objectif du stage est de quantifier les forces mécanique (forces de radiation acoustique et forces hydrodynamiques induites par streaming acoustique) mises en jeu dans notre dispositif expérimental pour différents stimuli ultrasonores. A cette fin, les forces de radiation acoustique seront évaluées en mesurant l’écrasement de microsphères de polyacrylamide sous l’effet des ultrasons focalisés, l’élasticité des microsphères étant connue. Par ailleurs, l’écoulement induit par streaming acoustique sera ensemencé par des particules-traceurs, et le suivi de ces particules-traceurs sera effectué par une caméra ultra-rapide afin d’estimer les vitesses des particules puis les forces hydrodynamiques. Des expériences complémentaires à différentes fréquences ultrasonores seront aussi menées sur des neurones en culture pour suivre leur activité en imagerie calcique afin d’étudier les conditions nécessaires à leur stimulation. 

Ce projet ouvrira de grandes perspectives à long terme et fera l’objet d’une thèse durant laquelle l’étudiant poursuivra les études in vitro pour la compréhension des mécanismes sous-jacents à la neurostimulation et explorera la stimulation in vivo pour le traitement de la douleur chronique. Ce projet est une collaboration fructueuse entre des physiciens/acousticiens du LMA et des biologistes de l’IBDM. 

English version here :