Développements endoscopiques pour l’imagerie par fluorescence à deux photons in vivo des neurones crâniens de la souris

Endoscopy for in-vivo two photon fluoresence imaging of neurons in the hippocampus and cortex of mice

• Auteur / Autrice : Naveen Gajendra Kumar
• Direction : Hervé Rigneault, Rosa Cossart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et science de la matière. Optique photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 28/03/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Institut de Neurobiologie de la Méditerranée (INMED) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bourdieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Esben Ravn Andresen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cathie Ventalon, Frédéric Louradour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris domestique

Endoscopes

Polarisation (lumière)

Fluorescence

Neurosciences

Activité spontanée (électrophysiologie)

Capteurs optiques

Optique des fibres

Optique intégrée

Optique

Mots clés libres

Endoscopes

Façonnage de front d'onde

Fluorescence à 2 photons

Neuroscience

Activité neuronale

Endoscopes

Wavefront shaping

2 photon fluorescence

Neuroscience

Neuronal activity

Résumé

Les neuroscientifiques ont de plus en plus recours aux techniques optiques pour sonder les réseaux neuronaux en raison de l'excellente résolution spatiale, de la possibilité de mesurer simultanément à plusieurs endroits dans l'espace et de la spécificité cellulaire et subcellulaire grâce à l'utilisation de sondes ciblées. Ainsi, la recherche et le développement de dispositifs montés sur la tête, tels que les mini-microscopes et les endoscopes, qui permettent l'imagerie des neurones chez les animaux se déplaçant librement (comme les souris) ont connu une augmentation significative ces dernières années. Cette thèse présente l'état d'avancement des travaux de l'Institut Fresnel, de l'Institut Méditerranéen de Neurobiologie (INMED) et de collaborateurs concernant le développement et l'application de deux technologies différentes d'endoscopes permettant l'imagerie in-vivo des neurones chez la souris. La première technologie d'endoscope présentée dans cette thèse est un endoscope ''sans lentille'' où le guide d'ondes est un faisceau de fibres monomodes multi-cœurs. Grâce à la mise en forme du front d'onde du champ couplé et à la connaissance de la matrice de transmission de la fibre optique, un point focal est formé et balayé dans le champ de vision, puis le signal de fluorescence rétro diffusé est collecté et propagé vers un détecteur. Le principal avantage de cette technique est l'absence de tout composant optique ou mécanique à l'extrémité distale, ce qui signifie que la tête de l'endoscope est aussi fine que la fibre optique elle-même (quelques 100 um). Cela permet d'insérer l'endoscope directement dans les tissus et d'imager des plans auparavant inaccessibles avec les techniques optiques. La deuxième technologie présentée dans cette thèse est un système de micro-endoscope entièrement intégré basé sur une fibre à coeur creux. Le système se compose d'un micro-endoscope et d'un casque permettant de fixer l'endoscope sur la tête des souris pour des expériences d'imagerie en mouvement libre. Le guide d'ondes utilisé ici est une fibre creuse à double gaine, tubulaire, anti résonante. Ces fibres ont une large bande de transmission, une faible dispersion de vitesse de groupe et introduisent très peu de distorsion temporelle ou spectrale aux impulsions femtosecondes nécessaires à l'imagerie de fluorescence à 2 photons. Le balayage est mis en œuvre à l'aide d'un tube piézoélectrique miniature à double résonance, qui permet d'obtenir un champ de vision électriquement accordable allant jusqu'à 300 microns à des fréquences d'images allant jusqu'à 10 Hz. Enfin, certains des premiers résultats de l'imagerie in-vivo du cortex et de l'hippocampe de souris réalisée avec cet endoscope sont présentés

Neuroscientists have been increasingly using optical techniques for probing neuronal networks due to the excellent spatial resolution, the ability to measure simultaneously at multiple spatial locations, and cellular and subcellular specificity with the use of targetable probes. As such research and development of head-mounted devices such as mini-microscopes and endoscopes, that allow for the imaging of neurons in freely moving animals (such as mice) have seen a significant increase in recent years. This thesis presents the progress of work at Institut Fresnel, the Mediterranean Institute of Neurobiology (INMED) and collaborators regarding the development and application of two different endoscope technologies that allow for in-vivo imaging of neurons in mice. The first endoscope technology presented in this thesis is a “Lensless” endoscope where the waveguide is a multi-core single-mode fibre bundle. Here by wavefront shaping of the in-coupled field and the knowledge of the transmission matrix of optical fibre, a focal spot is formed and scanned across the field of view and further the back-scattered fluorescence signal is collected and propagated back to a detector. The key advantage of this technique is the absence of any optical or mechanical components at the distal end, meaning the endoscope head is as thin as the optical fiber itself (few 100 um). This allows the endoscope to be inserted directly into the tissue and image planes previously inaccessible using optical techniques. The second technology presented in this thesis is a fully integrated micro-endoscope system based on hollow-core fiber. The system consists of a micro-endoscope and a helmet assembly for securing the endoscope to the head of the mice for freely moving imaging experiments. The waveguide used here is a double-clad, tubular, antiresonant, hollow core fiber. These fibers have a large transmission band, low group velocity dispersion and introduce very little temporal or spectral distortion to the femto second pulses needed for 2 photon fluorescence imaging. Scanning is implemented using a miniature doubly resonant piezoelectric tube, which allows for an electrically tunable field of view of up to 300 microns at frame rates of up to 10Hz. Finally, some of the first results from in-vivo imaging of mice cortex and hippocampus done with this endoscope are presented