Investigation holographique des circuits visuels : Preuve de concept d'un nouveau système flexible de microendoscopie à deux photons pour l'interrogation tout-optique des circuits neuronaux chez les animaux se déplaçant librement

Holographic investigation of visual circuits : Proof-of-concept of a new flexible two-photon microendoscopy system for all-optical interrogation of neuronal circuits for freely-moving animals

• Auteur / Autrice : Florence Bui
• Direction : Valentina Emiliani, Valeria Zampini, Nicoló Accanto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la vision (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Bacci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anna Beyeler, Amanda Foust

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Effets de la lumière

Protéines microbiennes

Réseaux neuronaux (physiologie)

Holographie en médecine

Optogénétique

Mots clés libres

Neurosciences

Optogénétique

Imagerie calcique

Photostimulation 2P

Microendoscope

Souris mobile

Neuroscience

Optogenetics

Calcium imaging

2P photostimulation

Microendoscopy

Freely-moving mice

Résumé

Comprendre comment le cerveau code les informations est l'un des grands défis de notre époque. Au cours des dernières décennies, les neurosciences ont fait des progrès exponentiels pour la communication neuronale. Les généticiens ont développé des protéines microbiennes ''opsines'' activables par la lumière. Ainsi, l'optogénétique permet de lire et contrôler les circuits neuronaux et de déterminer comment ils encodent nos sensations, perceptions et cognition. Pour décrypter le code neuronal, il est nécessaire d'examiner comment les neurones individuels des circuits collaborent pour établir le comportement. Pour atteindre une résolution fine et imiter l'activité à la milliseconde, le laboratoire de V. Emiliani a développé des outils optiques de pointe basés sur des approches de front d'onde telles que l'holographie générée par ordinateur (Papagiakoumou et al. Optic Exp. 2008) pour contrôler de multiples neurones (Hernandez etal. Nature Com. 2016 ; Accanto, Molinier et al. Optica 2018, Chen et al. JNeuro. 2019). Les microendoscopes ont été développés principalement pour imager l'activité neuronale chez des rongeurs agiles (Ghosh et al. Nature Met. 2011, Szabo et al. Neuron 2014, Aharoni et al. Front. C. Neuro. 2019, Helmchen et al. Cold Spr. Harb. Prot. 2013, Zong et al. Nature Met. 2017, Ozbay et al. Sc. Rep. 2018) avec des approches à un et deux photons. Néanmoins, ses systèmes sont limités en vitesse d'imagerie à 3-40Hz et ne permettent pas de stimulation de cellule unique. Pour l'exploration du cerveau, des mesures précises et la capacité d'induire l’activité sont essentielles. Un nouveau microendoscope 2P flexible ''2P-FENDO'' a donc été construit. Nous avons validé l'imagerie in vivo bicolore de cellules uniques avec une haute résolution jusqu'à une profondeur de ~200μm dans le cerveau de la souris. Avec jGCaMP7s (Dana et al. Nature Met. 2019), l’imagerie 2P rapide est démontrée (50-100Hz) dans un grand champ (250*250*200 μm3) et permet la stimulation holographique chez la souris agile et mobile.

Understanding how the brain encodes information is one of the grand challenges of our times. Over the past decades, Neuroscience has made exponential progress towards neural communication. Geneticists developed light-activated microbial proteins “opsin” to manipulate it. Optogenetic enables us to drive and read neural circuits and determine how it gives rise to sensation, perception, and cognitive function. To decipher the neural code, it is necessary to have a closer look at how individual neurons in the circuits collaborate to establish behaviour. To reach such fine resolution and to mimic activity at the millisecond scale, V. Emiliani’s lab has been developing cutting-edge optical tools based on wavefront shaping approaches such as computer-generated holography (Papagiakoumou et al. Optic Exp. 2008) to control multiple neurons (Hernandez et al. Nature Com. 2016; Accanto, Molinier et al. Optica 2018, Chen et al. JNeuro. 2019). Microendoscopes were developed mainly to image neuronal activity in freely-moving rodents (Ghosh et al. Nature Met. 2011, Szabo et al. Neuron 2014, Aharoni et al. Front. C. Neuro. 2019, Helmchen et al. Cold Spr. Harb. Prot. 2013, Zong et al. Nature Met. 2017, Ozbay et al. Sc. Rep. 2018) with single- (1P) and two-photon (2P) approaches. Nevertheless, they presented some limitations. Current systems are limited in imaging speed to 3-40Hz. To cite the most important drawback: with no 2P stimulation at the single cell level. For the brain exploration, precise measurements, and the capability to precisely induce spiking activity in selected cells are essential. Hence, a new flexible 2P microendoscope “2P-FENDO” was built. We validated in vivo morphological imaging of single cells with high axial resolution and two-colour imaging to ~200μm depth in the mouse brain. With jGCaMP7s (Dana et al. Nature Met. 2019), we achieved fast activity imaging using 2P imaging (50-100Hz) in large FOV (250*250*200 μm3) and 2P holographic stimulation in freely-moving mice.