Les interfaces cerveau-machine (ICMs) peuvent stimuler électriquement les neurones par injection de courant et/ou enregistrer leurs signaux. Porteur d’espoirs chez les patients atteints de maladies neurologiques ou de handicaps, les dispositifs actuels sont composés de larges électrodes métalliques susceptibles de provoquer une inflammation des tissus conduisant à des réactions fibrotiques, ce qui réduit in fine l'efficacité. Les recherches récentes se portent sur les électrodes à base de matériaux carbonés, attractifs de par leurs propriétés mécaniques, électriques et électrochimiques. Pouvons-nous utiliser ces matériaux pour stimuler et/ou enregistrer efficacement les signaux neuronaux ? En collaboration avec trois équipes européennes, cette thèse explore les fonctionnalités de trois ICM différents. Deux de mes trois projets font appel à l'imagerie fonctionnelle par ultrasons (fUS) pour vérifier l'activation neuronale en profondeur dans le cerveau. Cette technique repose sur la mesure du volume sanguin cérébral (CBV), corrélé à l'activité neuronale du fait de l’existence du couplage neurovasculaire (NVC). Dans le cadre du projet NEURODIAM (projet 1) financé par l’Union européenne (EU Horizon 2020), j'ai travaillé sur la preuve de concept d’un implant d'électrocorticographie (ECoG) tout-diamant, combinant à la fois les propriétés isolantes du diamant intrinsèque en tant que couche de passivation et la forte conductivité du diamant dopé au bore. Après la caractérisation in vitro des électrodes, j'ai enregistré des potentiels évoqués visuels (PEVs) à l'aide de tels implants chez deux modèles rongeurs. L’observation de faibles impédances (dizaines de kΩ), d’une large fenêtre de potentiel électrochimique (3 V), ainsi que le rapport signal/bruit raisonnable obtenu confirment leur fonctionnalité. Dans le cadre du projet Graphene Flagship financé par l'UE (projet 2), j'ai utilisé des transistors à effet de champ à grille de graphene (gFETs) et le fUS simultanément pour enregistrer sur rongeurs des ondes lentes de dépolarisations corticales (CSDs) et des crises épileptiques chez un modèle d’épilepsie induite. Pendant les CSDs, les variations biphasiques de CBV se propagent vers des régions sous-corticales telles que l'hippocampe, en plus des régions corticales habituellement observées. Nous mesurons également une forte synchronisation de phase entre les oscillations ultralentes et le CBV pendant les crises, mais aussi une oscillation anticipée du CBV en amont d’une crise épileptique. Cette plateforme multimodale permettrait l’investigation poussée du NVC dans diverses pathologies. L’oxyde de graphène réduit (rGO) présente une capacité élevée d'injection de charge électrique adaptée aux prothèses rétiniennes pour les patients aveugles (projet #3). Notre étude de biocompatibilité a mis en évidence aucune différence de nombre de microglies entre les rétines implantées avec du rGO et les rétines témoins, suggérant une réaction non inflammatoire. La stimulation électrique sous-rétinienne in vivo de l'implant active également les structures visuelles, observées grâce au fUS. Nos résultats confirment l’aptitude du rGO à stimuler les neurones rétiniens mais suggèrent également l’enregistrement de signaux dans l’optique d’une prothèse bimodale. En résumé, j'ai travaillé sur trois projets différents impliquant différentes électrodes en carbone pour la stimulation ou l’enregistrement neuronal in vivo. J'ai d'abord établi la preuve de concept d'un ECoG tout-diamant, potentiellement plus durable de par la non-réactivité du diamant. J'ai ensuite enregistré et analysé les CSDs et les crises épileptiques à l’aide des gFETs et du fUS simultanément. Enfin, j'ai confirmé in vivo la biocompatibilité à long terme et la fonctionnalité des électrodes sous-rétiniennes en rGO pour la restauration visuelle. Tous ces résultats renforcent la légitimité des électrodes carbonées pour une translation clinique future.