Nouvelle source laser pour des applications en neuroscience

New laser source for neuroscience applications

• Auteur / Autrice : Tiphaine Berberian Delsalle
• Direction : Frédéric Druon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Lasers - Amplitude Systèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Druon, Thierry Chartier, Frédéric Louradour, Sandrine Lévêque-Fort, Adeline Bonvalet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Chartier, Frédéric Louradour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences

Microscopie de fluorescence

Optique non linéaire

Lasers femtoseconde

Lasers à fibre

Mots clés libres

Laser à fibre

Impulsions ultrabrèves

Optique non-Linéaire

Microscopie

Neuroscience

Fiber laser

Ultrafast optics

Non-Linear optics

Microscopy

Neuroscience

Résumé

Les neurosciences, dont l'objectif à terme est de guérir les maladies neurodégénératives, sont en train de vivre de grandes avancées transformationnelles. Parmi celles-ci, on note le développement de capteurs neuronaux efficaces permettant la détection de potentiels d’action individuels ainsi que l'apparition de nouveaux actuateurs optogénétiques. L'existence de sources laser femtoseconde, plus ou moins énergétiques, dans la gamme spectrale d'absorption à 2 photons de ces molécules permet une investigation tout-optique de réseaux de neurones in vivo et en 3D.Le manuscrit s'inscrit dans un projet faisant collaborer différents acteurs dans le domaine de la Recherche : le Laboratoire Charles Fabry pour l'aspect laser et l'Institut de la Vision pour la réalisation d'images biologiques inédites sur des sujets in vivo, ainsi que dans le domaine industriel : Amplitude Systèmes, leader mondial dans les lasers à fibres femtoseconde, et ALPhANOV, association à but non lucratif qui développe et intègre des systèmes optiques. Le but est de réaliser un outil permettant une activation multicellulaire en 3D suivi d’un diagnostique permettant d’analyser la réponse neuronale à l’échelle de la milliseconde. Pour cela, je présente le développement d'un laser spécifique (avec des impulsions de durée suffisamment courte et intense) permettant une excitation à 2 photons parallélisée. De plus ce laser émet dans la gamme spectrale des bio-activateurs et biocapteurs utilisés, ce qui en fait une source totalement originale.Le développement de ce laser femtoseconde à base de fibre thulium est détaillé. Ce laser dispose de deux sorties : une sortie haute cadence pour l'imagerie et une sortie haute énergie pour la photo-activation. Cette thèse comporte un volet expérimental et technologique important lié à la conception et à l’analyse de sources laser impulsionnelles. Les performances démontrées ici pour la voie haute cadence est l'émission d'une puissance de 10 W autour de 1950 nm à une cadence de 40 MHz. La voie haute énergie développée, quant à elle, a permis à démontrer la génération d'impulsions de 10 µJ autour de 1950 nm. Une fois la conversion en fréquence effectués les performances obtenues sont suffisamment prometteuses pour déclencher des premiers tests sur des échantillons biologiques.

Neurosciences, whose ultimate goal is to cure neurodegenerative diseases, are undergoing major transformational advances. Among these is the development of efficient neural sensors allowing the detection of individual action potentials as well as the emergence of new optogenetic actuators. The existence of femtosecond laser sources, more or less energetic, in the 2-photon absorption spectral range of these molecules allows an all-optical investigation of neural networks in vivo and in 3D.The manuscript is part of a project involving different actors in the field of Research: the Laboratoire Charles Fabry for the laser aspect and the Institut de la Vision for the production of previously unseen biological images on subjects in vivo, as well as in the industrial field: Amplitude Systèmes, world leader in femtosecond fiber lasers, and ALPhANOV, a non-profit association which develops and integrates optical systems. The goal is to produce a tool allowing multicellular activation in 3D followed by a diagnostic allowing the analysis of the neuronal response at the millisecond scale. For this, I present the development of a specific laser (with pulses of sufficiently short and intense duration) allowing parallelized 2-photon excitation. In addition, this laser emits in the spectral range of the bio-activators and biosensors used, which makes it a completely original source.The development of this femtosecond laser based on thulium fiber is detailed. This laser has two outputs: a high speed output for imaging and a high energy output for photo-activation. This thesis includes an important experimental and technological part related to the design and analysis of pulsed laser sources. The performance demonstrated here for the high repetition rate channel is the emission of a power of 10 W around 1950 nm at a rate of 40 MHz. The high-energy channel developed, for its part, made it possible to demonstrate the generation of pulses of 10 µJ around 1950 nm. Once the frequency conversion has been carried out, the performance obtained is sufficiently promising to trigger initial tests on biological samples.