Projet de Doctorat

InterfaceNeuro-Photonique Hybride

Une puce photonique intégrée pour lire et écrire dans les neurones avec la lumière. Couplage direct jGCaMP8f → waveguides Si₃N₄ → SPAD pour une interface cerveau-machine optique.

Couches

Années

100%

Optique

∞

Potentiel

Justifications

Pourquoi Ces Choix ?

🧬

jGCaMP8f vs autres GCaMPs

Pourquoi pas GCaMP6 ? jGCaMP8f a une cinétique 2× plus rapide (τ_decay ~50ms vs ~150ms) et un ΔF/F 3× plus élevé. Idéal pour détecter chaque spike individuel.

ΔF/F ~30 τ 50ms Single-spike

💎

ChRmine vs ChR2/Chronos

Pourquoi pas ChR2 ? ChRmine a une sensibilité 100× supérieure (0.1 mW/mm²) et un spectre rouge-décalé (590nm) qui ne chevauche pas jGCaMP8f (488nm). Zéro crosstalk.

λ = 590nm 0.1 mW/mm² No crosstalk

⚡

Si₃N₄ vs SOI/SiO₂

Pourquoi pas silicium ? Si₃N₄ est transparent dans le visible (400-800nm) contrairement au SOI qui absorbe. Pertes ultra-faibles (~0.1 dB/cm) et biocompatible.

Visible OK 0.1 dB/cm Biocompatible

Outils Moléculaires

Indicateurs Génétiques

LECTURE

💚

jGCaMP8f

Indicateur Calcique Ultra-Rapide

Indicateur calcique de nouvelle génération avec un rise time de 2ms, 11× plus rapide que GCaMP6f. Détecte chaque potentiel d'action avec un SNR exceptionnel.

2 ms

Rise Time

45%

ΔF/F₀ (1 AP)

488 nm

Excitation

525 nm

Émission

400 nm 700 nm

ÉCRITURE

💗

ChRmine

Channelrhodopsine Rouge

Opsine ultra-sensible à 590nm, séparation spectrale parfaite avec jGCaMP8f. 12× plus sensible que ChR2, permettant une stimulation précise à faible puissance.

590 nm

Excitation

12×

vs ChR2

2 nA

Photocourant

0.08

mW/mm²

400 nm 700 nm

Pipeline

Boucle Fermée Optique

Circuit Neuro-Photonique

LIVE SIGNAL Latence <1ms 100% Optique

🆕

vs MEA Classique

Optique, pas électrique

Non-invasif Pas d'électrodes Bidirectionnel

🆕

vs Microscope

Couplage direct

Sur puce Pas d'objectif Intégré

🆕

vs Optogénétique

Boucle fermée

Read + Write Feedback <1ms Automatique

🆕

vs Cryogénie

300K (ambiante)

Compatible bio Pas de He liquide Scalable

                        
                        while
                        neuron
                        .
                        is_active
                        ():
                    

                        
                          calcium
                        =
                        jGCaMP8f
                        .
                        detect_spike
                        ()
                          ⟶
                        # Ca²⁺ transient
                    

                        
                          photons
                        =
                        waveguide
                        .
                        collect
                        (
                        calcium
                        )
                          ⟶
                        # Si₃N₄ guided
                    

                        
                          counts
                        =
                        SPAD
                        .
                        count
                        (
                        photons
                        )
                          ⟶
                        # Single photon
                    

                        
                          signal
                        =
                        FPGA
                        .
                        process
                        (
                        counts
                        )
                          ⟶
                        # Real-time DSP
                    

                        
                          if
                        signal
                        .
                        threshold_crossed
                        ():
                    

                        
                            ChRmine
                        .
                        stimulate
                        (
                        λ=635nm
                        )
                          ⟵
                        # Feedback!
                    

<1ms

Latence totale

100%

Optique

~100

Photons/spike

3×3

SPAD Array

300K

Température

Données Techniques

Spécifications Concrètes

📦

Références Produits

jGCaMP8f : Addgene #162376
ChRmine : Addgene #130558
AAV9 : sérotype neurotrope

🏭

Fonderies Photoniques

LIGENTEC (Suisse) Si₃N₄
IMEC (Belgique) MPW
LioniX (NL) TriPleX

📡

Détecteurs SPAD

MPD SPC3 : 64×64, 50ps
Hamamatsu : C13366
Photon Force : PF32

📊

Budget Optique

Émis : ~1000 ph/s/spike
Collecté : 200 (lens 20%)
Détecté : 20 > seuil ✓

💰

Budget Projet

Équipement : $60-130k
Conso/an : $20-40k
Total 4 ans : ~$200k

🎯

Métriques Succès

SNR : >5 (goal >10)
Couplage : >1% (goal 10%)
Neurones : >50 viables

Contribution

Ce qui est Nouveau

🔬

Couplage Direct Neurone → Waveguide

Pas via objectif de microscope mais intégré sur puce. Interface monolithique bio-photonique.

📦

Intégration 3 Couches sur Puce

Bio + Photonique + Électronique dans un seul système miniaturisé potentiellement implantable.

🔄

Boucle Fermée Optique

Lecture GCaMP → Traitement FPGA → Stimulation ChRmine. Communication 100% optique avec les neurones.

🌡️

Température Ambiante

Fonctionne à 300K contrairement aux systèmes quantiques cryogéniques. Compatible avec le vivant.

Planning

Roadmap 4 Ans

2025

2029

🔬

Fondations

Validation & Design

S1 • Setup

◆Culture iPSC → neurones
◆Transduction jGCaMP8f
◆Setup microscope fluo

S2 • Simulation

◆Simulations Lumerical
◆Design waveguides Si₃N₄
◆Layout GDS v1

📄 Review paper 🧬 Protocol 💾 GDS v1

⚙️

Fabrication

Cleanroom & Tests

S1 • Fab

◆Fab puce test @ CMi
◆Dépôt Si₃N₄ LPCVD
◆Lithographie e-beam

S2 • Caractérisation

◆Test pertes optiques
◆Intégration SPAD
◆Setup couplage fibre

💎 Puce v1 📊 Data optique 📝 Pub photonique

🧬

Intégration

Bio + Photonique

S1 • Couplage

◆Culture sur puce
◆Couplage neurone→guide
◆1ers signaux détectés

S2 • Validation

◆SNR optimisation
◆Multi-neurone recording
◆Comparaison MEA

📡 Signal validé 📈 Stats 🏆 Nature Methods

🔄

Boucle Fermée

Système Complet

S1 • Closed-Loop

◆FPGA pipeline
◆ChRmine stimulation
◆Latence <1ms validée

S2 • Finalisation

◆Computation demo
◆Rédaction thèse
◆Soutenance

🔄 Full system 📜 Brevets 🎓 PhD

Publications

Brevets

Puce Photonique

<1ms

Latence Finale

Littérature

Références Clés

📄

Liu et al. (2024)

"Entangled biphoton generation in myelin sheath" — PRE 110. Génération de paires de photons intriqués via liaisons C-H en cavité QED.

📄

Na et al. (2024)

"Room-temperature photonic quantum computing" — APL Quantum. GeSi SPAD à 300K avec QE >95%, compatible CMOS.

📄

Kurian et al. (2024)

"Superradiance in microtubules" — J. Phys. Chem. B. Cohérence quantique du tryptophane dans les architectures biologiques.

📄

Xanadu (2025)

"Scaling a modular photonic quantum computer" — Nature. Architecture Aurora pour calcul quantique photonique à grande échelle.

Perspectives

Parcours Scientifique

● Master (FP-Predict)

Prédiction spectres FP

AlphaFold2 + ML

Base FPbase (~700 FPs)

Optimisation jGCaMP

→

● Doctorat (NPH)

Photons classiques

Interface neurone-puce

Boucle fermée optique

Traitement FPGA

→

● Futur (10-20 ans)

Photons intriqués

Source SPDC / SFWM

Interface neurone-qubit

ChromoQ optimisées

InterfaceNeuro-Photonique Hybride

Pourquoi Ces Choix ?

jGCaMP8f vs autres GCaMPs

ChRmine vs ChR2/Chronos

Si₃N₄ vs SOI/SiO₂

Indicateurs Génétiques

Boucle Fermée Optique

Circuit Neuro-Photonique

vs MEA Classique

vs Microscope

vs Optogénétique

vs Cryogénie

Spécifications Concrètes

Références Produits

Fonderies Photoniques

Détecteurs SPAD

Budget Optique

Budget Projet

Métriques Succès

Ce qui est Nouveau

Couplage Direct Neurone → Waveguide

Intégration 3 Couches sur Puce

Boucle Fermée Optique

Température Ambiante

Roadmap 4 Ans

Références Clés

Liu et al. (2024)

Na et al. (2024)

Kurian et al. (2024)

Xanadu (2025)

Parcours Scientifique

● Master (FP-Predict)

● Doctorat (NPH)

● Futur (10-20 ans)

🧠 Code & Simulations