Development of a two-photon excitation STED microscope and its application to neuroscience

par Philipp Bethge

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Valentin Nägerl.

Soutenue le 27-03-2014

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Université Bordeaux-II (1971-2013) (Etablissement d'accueil) et de Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Mulle.

Le jury était composé de Giovanni Marsicano.

Les rapporteurs étaient Valentina Emiliani, Sonja Hofer.

  • Titre traduit

    Développement d'un microscope STED à excitation deux photons et son application aux neurosciences


  • Résumé

    L’avènement de la microscopie STED (Stimulated Emission Depletion) a bouleversé le domaine desneurosciences du au fait que beaucoup de structures neuronale, tels que les épines dendritiques, lesaxones ou les processus astrocytaires, ne peuvent pas être correctement résolu en microscopiephotonique classique. La microscopie 2-photon est une technique d’imagerie photonique très largement utilisée dans le domaine des neurosciences car elle permet d’imager les événements dynamique en profondeur dans le tissu cérébral, offrant un excellent sectionnement optique et une meilleure profondeur de pénétration. Cependant, la résolution spatiale de cette approche est limitée autour de 0.5 μm, la rendant inappropriée pour étudier les détails morphologiques des neurones et synapses. Le but de mon travail de thèse était à A) développer un microscope qui permet d'améliorer l'imagerie 2-photon en la combinant avec la microscopie STED et B) démontrer son potentiel pour l'imagerie à l'échelle nanométrique de processus neuronaux dynamiques dans des tranches de cerveau aigus et in vivo. Le nouveau microscope permet d'obtenir une résolution spatiale latérale de ~ 50 nm à des profondeurs d'imagerie de ~ 50 μm dans du tissu cérébral vivant. Il fonctionne avec des fluorophores verts, y compris les protéines fluorescentes communes telles que la GFP et YFP, offrant le contraste de deux couleurs basé sur la détection spectrale et linéaire ‘unmixing’. S’agissant d’un microscope droit, utilisant un objectif à immersion ayant une grande distance de travail, nous avons pu incorporer des techniques électrophysiologiques comme patch-clamp et ajouter une plateforme pour l'imagerie in vivo. J’ai utilise ce nouveau microscope pour imager des processus neuronaux fins et leur dynamique à l’échelle nanométrique dans différent types de préparations et des régions différentes du cerveau. J’ai pu révéler des nouvelles caractéristiques morphologique des dendrites et épines. En outre, j'ai exploré différentes stratégies de marquage pour pouvoir utiliser la microscopie STED pour imager le trafic des protéines et de leur dynamique à l'échelle nanométrique dans des tranches de cerveau.


  • Résumé

    The advent of STED microscopy has created a lot of excitement in the field of neuroscience becausemany important neuronal structures, such as dendritic spines, axonal shafts or astroglial processes,cannot be properly resolved by regular light microscopy techniques. Two-photon fluorescence microscopy is a widely used imaging technique in neuroscience because it permits imaging dynamic events deep inside light-scattering brain tissue, providing high optical sectioning and depth penetration. However, the spatial resolution of this approach is limited to around half a micron, and hence is inadequate for revealing many morphological details of neurons and synapses. The aim of my PhD work was to A) develop a microscope that improves on two-photon imaging by combining it with STED microscopy and to B) demonstrate its potential for nanoscale imaging of dynamic neural processes in acute brain slices and in vivo. The new microscope achieves a lateral spatial resolution of ~50 nm at imaging depths of ~50 μm in living brain slices. It works with green fluorophores, including common fluorescent proteins like GFP and YFP, offering two-color contrast based on spectral detection and linear unmixing. Because of its upright design using a long working distance water-immersion objective, it was possible to incorporate electrophysiological techniques like patch-clamping or to add a stage for in vivo imaging. I have used the new microscope to image fine neural processes and their nanoscale dynamics in different experimental preparations and brain regions, revealing new and interesting morphological features of dendrites and spines. In addition, I have explored different labeling strategies to be able to use STED microscopy for visualizing protein trafficking and dynamics at the nanoscale in brain slices.


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