Modulation spatio-temporelle du front d’onde pour l’imagerie et la manipulation volumétrique de l’activité neuronale

Spatio-temporal wavefront modulation for imaging and volumetric manipulation of neuronal activity

• Auteur / Autrice : Massilia Hamdani
• Direction : Benoît Claude Forget
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• 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 : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Beaurepaire, Maia Brunstein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Esben Ravn Andresen, Delphine Débarre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (physiologie)

Ondes

Microscopie de fluorescence

Optique non linéaire

Mots clés libres

Microscopie optique

Optique non linéaire

Imagerie volumétrique

Imagerie de fluorescence

Modulation du front d'onde

Optical microscopy

Non-linear optics

Volumetric imaging

Fluorescence imaging

Wavefront modulation

Résumé

La découverte et le développement d’outils génétiques associés à des techniques de microscopies optiques multiphotoniques pour la visualisation et le contrôle de l’activité neuronale ont permis des avancées majeures dans le domaine des neurosciences. En effet, les approches d’excitation non-linéaires ont permis de suivre et de manipuler l’activité neuronale à l’échelle d’un neurone unique, avec une résolution cellulaire (∼ 1 μm), voire sub-cellulaire (≤ 1 μm) en profondeur dans des tissus vivants. En particulier, ces dernières années, de nombreuses stratégies, basées sur la mise en forme spatio-temporelle des impulsions laser ont vu le jour dans le but d’étendre la visualisation et la manipulation à un ou plusieurs ensembles neuronaux simultanément et en temps réel tout en conservant une résolution spatiale micrométrique. Bien que ces nouvelles approches transforment et constituent un avancement pour l’imagerie cérébrale, le choix d’une méthode de microscopie au détriment d’une autre nécessite de faire un compromis entre résolution spatiale, temporelle et rapport Signal/Bruit. Les limitations d’un certain nombre de ces techniques seront développées plus en détails en introduction de ce manuscrit. Le travail décrit ici a pour objectif de développer de nouvelles approches multiphotoniques, basées sur la mise en forme spatio-temporelle des faisceaux d’excitation, et dédiées à l’imagerie et la manipulation de l’activité neuronale. Dans le premier chapitre, nous introduisons le principe de l’optogénétique et des microscopies non-linéaires avant de présenter les défis de l’imagerie volumétrique multiphotonique. Nous présentons ensuite une approche d’imagerie, HSPaM (Hybrid Scanning and Parallel illumination Microscopy), qui sera dédiée à améliorer l’imagerie d’échantillons denses. Cette technique est basée sur une configuration à illumination double une modulation spatio-temporelle du front d’onde, qui permettra de générer une augmentation de contraste sur des structures prédéfinies en 3D, avec une résolution spatiale micrométrique et sans compromis sur la vitesse d’acquisition. Dans le troisième chapitre, nous présentons une autre configuration optique, FLiT (Fast Light Targeting), qui permet de générer rapidement une séquence de patrons d’illumination différents dans de grands volumes. Puis, nous discuterons et démontrerons les applications de cette approche à l’imagerie d’échantillons plus épars ainsi que le gain en efficacité d’excitation biphotonique offert lors de la manipulation de larges ensembles neuronaux.

The discovery and development of genetic tools combined with multiphoton optical microscopy techniques for the visualisation and the monitoring of neuronal activity have led to major advances in neuroscience. Indeed, non-linear excitation approaches have made it possible to monitor and manipulate neuronal activity at the scale of a single neuron, with cellular and sub-cellular (∼ 1μm) resolution in depth in living tissue. In particular, in recent years, many strategies based on spatio-temporal shaping of laser pulses have emerged with the aim of extending visualisation and manipulation to one or more neuronal ensembles simultaneously in real time while maintaining micrometric spatial resolution. Although these new approaches are transforming and represent an advancement in brain imaging, the choice of one microscopy method over another implies a trade-off between spatial and temporal resolution and signal-to-noise ratio. The limitations of these techniques are discussed in more detail in the introduction to this manuscript. The work described here aims at developing new multiphoton approaches, based on the spatio-temporal shaping of excitation beams, and dedicated to the imaging and manipulation of neuronal activity. In the first chapter, we introduce the principles of optogenetics and non-linear microscopy before presenting the challenges of multiphoton volumetric imaging. We then present the HSPaM (Hybrid Scanning and Parallel illumination Microscopy), an imaging approach which will be dedicated to an application on dense samples. This technique is based on a dual illumination configuration and spatiotemporal modulation of the wavefront, which will allow to generate a signal enhancement on predefined 3D structures, with a micrometric spatial resolution and without compromising the acquisition speed. In the third chapter, we present another optical configuration, FliT (Fast Light Targetting), which allows to quickly generate a sequence of different illumination patterns in large volumes. Then, we will discuss and demonstrate the applications of this approach to the imaging of sparser samples and the gain in two-photon excitation efficiency offered on the manipulation of large neuronal ensembles.