Développements optiques pour la mesure et le contrôle micrométrique de la température en optogénétique

Optical Developments for Microscale Measurement and Control of Temperature in Optogenetics

• Auteur / Autrice : Chang Liu
• Direction : Gilles Tessier, Valentina Emiliani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/04/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la vision (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Romain Quidant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Fragola, Jack Waters
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Lévêque-Fort, Benoît Charlot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurones

Contraintes thermiques

Thermoluminescence

Photonique

Optogénétique

Mots clés libres

Thermométrie par luminescence

Optogénétique à deux photons

Thermoplasmonique

Diffusion de la chaleur

Nanoparticules

Détection du front d'onde

Effets thermo-optiques

Imagerie multiplan

Luminescence thermometry

Two-photon optogenetics

Heat diffusion

Résumé

La combinaison de la microscopie optique et de la génétique moléculaire, l'optogénétique, a bouleversé le domaine des neurosciences. L’opsines et d’indicateurs fluorescents codés génétiquement permet de contrôler et suivre optiquement l’activité neuronale de manière peu invasive. La stimulation à 2 photons permet d’adresser individuellement centaines de neurones en profondeur du cerveau, mais la puissance laser nécessaire entraîne des effets thermiques photo-induits qu’il est nécessaire d’évaluer précisément, puisqu’ils sont susceptibles d’altérer certaines fonctions neuronales. Dans ce manuscrit, nous décrivons le développement d'une sonde thermométrique basée sur la luminescence, permettant de mesurer in vivo la température à l'extrémité d'une fibre optique lors d’une stimulation optogénétique à 2 photons. Cette sonde offre la sensibilité thermique de 0,05 K, la résolution temporelle de 2 ms et spatiale comparable à la taille neuronale (~15μm). Elle permet d’estimer l’élévation thermique induite par diverses conditions d’illumination optogénétique. Pour évaluer l'altération de l'activité neuronale lors de telles variations, nous avons développé une plateforme qui contrôle la température à l'échelle du micron. Nous générons des formes thermiques arbitraires et rapidement reconfigurables en projetant un motif d’illumination sur un ensemble homogène de nanoparticules plasmoniques absorbantes. Enfin, nous avons utilisé ce concept de contrôle thermique pour développer des dispositifs de contrôle du front d'onde basés sur des résistances induisant des effets thermo-optiques. Une matrices de micro-lentilles permettent l'imagerie calcique à différentes profondeurs simultanément.

The combination of optical microscopy and molecular genetics, optogenetics, is revolutionizing the field of neurosciences. Genetically-encoded fluorescent indicators and opsins now allow optical monitoring and control of neuron activities with minimal invasiveness. While 2-photon stimulation can now address individually hundreds of neurons, deep in brain, the associated increase in laser power leads to photo-induced thermal effects which require a careful evaluation as they can potentially alter neural functions. In this manuscript, we describe the development of a luminescence-based thermometric probe, providing in vivo temperature measurements at the end of a single optical fibre during 2-photon optogenetic stimulation. The method provides 0.05 K temperature sensitivity, 2 ms temporal resolution, and single-neuron-size-range spatial resolution (~15μm). This allowed us to precisely evaluate the temperature rise induced by various optogenetic illumination conditions, deep in tissues. To evaluate the alteration of neural activity induced by such thermal variations, we developped a platform that provides precise spatial control of temperature at the microscale. Fast, accurate and reconfigurable temperature patterns are demonstrated over arbitrarily shaped regions by tailoring an optical pattern projected on a homogeneous array of absorbing plasmonic nanoparticles. Finally, we utilized this concept of microscale temperature control to develop wavefront-shaping devices based on tailored resistors inducing thermo-optical effects. We demonstrated that tunable electro-thermo-optical micro-lenses arrays allow the simultaneous Ca2+ imaging of neuron activities at different depth.