Microscopie non linéaire multicolore de grands volumes de tissu cérébral

Large volume multicolor nonlinear microscopy of neural tissues

• Auteur / Autrice : Lamiae Abdeladim
• Direction : Emmanuel Beaurepaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Vernier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Beaurepaire, Rosa Cossart, Willy Supatto, Jean Livet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Bourdieu, Martin Oheim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie médicale

Neurobiologie

Optique -- Instruments

Mots clés libres

Microscopie multiphoton

Marquage Brainbow

Mélange de fréquences

Microscopie par découpe sériée

Microscopie à trois photons

Multiphoton microscopy

Brainbow labeling

Wavelength-Mixing

Block-Face imaging

Three-Photon microscopy

Résumé

La microscopie non linéaire a transformé le domaine de la neurobiologie depuis les années 1990, en permettant d'acquérir des images tridimensionnelles de tissus épais avec une résolution subcellulaire. Cependant, les profondeurs d'imagerie accessibles sont limitées à quelques centaines de micromètres dans des tissus diffusants tels que le tissu cérébral. Au cours des dernières années, plusieurs stratégies ont été développées pour dépasser cette limitation de profondeur et accéder à de plus grands volumes de tissu. Ces avancées récentes ont jusqu'à présent été limitées en terme de modes de contrastes accessibles, et ont souvent été réduites à des approches monochromes. Ce travail de thèse vise à développer des techniques d'imagerie non linéaires de grands volumes et de grande profondeur dotées de diverses possibilités de contrastes, indispensables pour l'étude de tissus complexes tels que le tissu cérébral. Dans un premier chapitre, nous présentons les difficultés associées à l'imagerie de grand volume de tissu cérébral, avec une emphase particulière sur les puissantes stratégies de marquages génétiques dont l'usage à jusqu'à présent été limité à des faibles étendues. Ensuite, nous introduisons la microscopie Chrom-SMP (chromatic serial multiphoton), une méthode développée au cours de cette thèse et consistant à combiner l’excitation deux-photon multicouleurs par mélange de fréquences avec une technique d'histologie automatisée (i.e découpe sériée) pour accéder à plusieurs contrastes non linéaires à travers de grands volumes de tissus ex vivo, allant de plusieurs mm3 à des cerveaux entiers, avec une résolution micrométrique et un coalignement intrinsèque des canaux spectraux. Dans un troisième chapitre, nous explorons le potentiel de cette nouvelle approche pour la neurobiologie. En particulier, nous démontrons l'histologie multicouleur de plusieurs mm3 de tissu ''Brainbow'' avec une résolution constante dans l’ensemble du volume imagé. Nous illustrons le potentiel de notre approche à travers l'analyse de la morphologie, des interactions et du lignage des astrocytes du cortex cérébral de souris. Nous explorons également l’apport du Chrom-SMP pour le suivi multiplexé de projections neuronales marquées par des traceurs de couleurs distinctes sur de grandes distances. Enfin, nous présentons dans un quatrième chapitre le développement de la microscopie à trois photons multimodale, approche permettant d’augmenter la profondeur d’imagerie sur tissus vivants.

Multiphoton microscopy has transformed neurobiology since the 1990s by enabling 3D imaging of thick tissues at subcellular resolution. However the depths provided by multiphoton microscopy are limited to a few hundreds of micrometers inside scattering tissues such as the brain. In the recent years, several strategies have emerged to overcome this depth limitation and to access larger volumes of tissue. Although these novel approaches are transforming brain imaging, they currently lack efficient multicolor and multicontrast modalities. This work aims at developing large-scale and deep-tissue multiphoton imaging modalities with augmented contrast capabilities. In a first chapter, we present the challenges of high-content large-volume brain imaging, with a particular emphasis on powerful multicolor labeling strategies which have so far been restricted to limited scales. We then introduce chromatic serial multiphoton (Chrom-SMP) microscopy, a method which combines automated histology with multicolor two-photon excitation through wavelength-mixing to access multiple nonlinear contrasts across large volumes, from several mm3 to whole brains, with submicron resolution and intrinsic channel registration. In a third chapter, we explore the potential of this novel approach to open novel experimental paradigms in neurobiological studies. In particular, we demonstrate multicolor volumetric histology of several mm3 of Brainbow-labeled tissues with preserved diffraction-limited resolution and illustrate the strengths of this method through color-based tridimensional analysis of astrocyte morphology, interactions and lineage in the mouse cerebral cortex. We further illustrate the potential of the method through multiplexed whole-brain mapping of axonal projections labeled with distinct tracers. Finally, we develop multimodal three-photon microscopy as a method to access larger depths in live settings.