Microscopie optique non linéaire des tissus nerveux : imagerie des lipides et du métabolisme

Nonlinear optical microscopy of nervous tissue : lipid and metabolism imaging

• Auteur / Autrice : Bahar Asadipour
• Direction : Emmanuel Beaurepaire, Chiara Stringari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'Optique et Biosciences / LOB
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bourdieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Beaurepaire, Chiara Stringari, Marc Tramier, Ana-Maria Pena, Irene Georgakoudi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Bourdieu, Marc Tramier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurinome

Optique non linéaire

Imagerie tridimensionnelle haute résolution

Mots clés libres

Optique non linéaire

Microscopie

Tissus

Lipides

Métabolisme

Polarisation

Nonlinear optics

Microscopy

Tissues

Lipids

Metabolism

Polarization

Résumé

Cette thèse concerne le développement de méthodes d'imagerie pour l’imagerie à haute résolution des tissus nerveux, basées sur la combinaison de contrastes optiques non linéaires (ONL) sans marquage. L’objectif principal est de pouvoir sonder la distribution de la myéline et le métabolisme avec une résolution sub-cellulaire dans des modèles de tissus sains et pathologiques. Le chapitre I introduit les principaux composants cellulaires du système nerveux central (SNC) que sont les neurones et les cellules gliales, ainsi que la structure de la myéline, la gaine lipidique permettant la transmission des signaux le long des neurones. Le chapitre introduit également la sclérose en plaques (SEP), une pathologie démyélinisante, ainsi que les processus métaboliques impliqués au cours de la SEP. Enfin, le chapitre discute les différentes techniques d'imagerie morphologiques et fonctionnelles disponibles pour la visualisation du SNC, de façon à motiver le développement de nouvelles méthodes d’imagerie multimodale à haute résolution. Le chapitre II présente les fondements de la microscopie ONL et des modalités de contraste utilisées dans cette étude, à savoir la fluorescence excitée à deux photons (2PEF), l'imagerie de durée de vie de la fluorescence à deux photons (2P-FLIM), la génération de deuxième et de troisième harmoniques (SHG et THG), ainsi que la technologie associée. Le chapitre III présente la mise en place d’une méthode basée sur les contrastes FLIM / THG et permettant de sonder conjointement le métabolisme de la microglie et la distribution de la myéline dans des sections de cervelet de souris en culture. Ce travail a permis de mettre en évidence les corrélations à l’échelle cellulaire entre myéline et métabolisme pendant des étapes de démyélinisation et remyélinisation induites expérimentalement. Le chapitre IV traite de l'imagerie THG d'échantillons de cerveau humain post mortem provenant de patients atteints de SEP. Compte tenu de la grande taille des échantillons, une partie du travail a nécessité la mise en place de stratégies robustes d’acquisition par mosaïquage. En outre, nous avons implémenté une approche d’augmentation de la dynamique de la détection, afin de pouvoir imager ce type d’échantillons hétérogènes en maintenant un bon rapport signal-sur-bruit à la fois pour les signaux faibles et forts, sans avoir à compromettre la vitesse d’acquisition. Enfin, le chapitre V explore l’utilisation de la génération de seconde harmonique résolue en polarisation (pSHG) pour distinguer différentes protéines structurales dans l'embryon de poisson zèbre in vivo. La mise en place d’un pipeline d’analyse automatisé et l’optimisation des conditions d’acquisition permettent de détecter et identifier les assemblages de tubuline dans les axones, de collagene, et de myofilements au sein d’un même organisme. Un cadre numérique permettant de prédire la réponse pSHG dans ces différents arrangements macromoléculaires est présenté, et validé par les résultats expérimentaux.

This thesis concerns the development of imaging methods for high-resolution imaging of nervous tissue, based on the combination of nonlinear, label-free optical contrasts. The main objective is to probe myelin distribution and metabolism with sub-cellular resolution in healthy and pathological tissue models. Chapter I introduces the main cellular components of the central nervous system (CNS), namely neurons and glial cells, as well as the structure of myelin, the lipid sheath that enables signals to be transmitted along neurons. The chapter also introduces multiple sclerosis (MS), a demyelinating pathology, and the metabolic processes involved during MS. Finally, the chapter discusses the various morphological and functional imaging techniques available for visualizing the CNS, so as to motivate the development of new high-resolution multimodal imaging methods. Chapter II introduces the fundamentals of nonlinear optical (NLO) microscopy and the contrast modalities used in this study, namely two-photon excited fluorescence (2PEF), two-photon fluorescence lifetime imaging (2P-FLIM), second- and third-harmonic generation (SHG and THG), and the associated technology. Chapter III presents the development of a method based on FLIM / THG contrasts, enabling the joint probing of microglia metabolism and myelin distribution in sections of cultured mouse cerebellum. This work has highlighted the correlations at the cellular level between myelin and metabolism during experimentally-induced stages of demyelination and remyelination. Chapter IV deals with THG imaging of post-mortem human brain samples from MS patients. Given the large size of the samples, part of the work involved the implementation of robust mosaic acquisition strategies. In addition, we implemented an approach for increasing the dynamic range of detection, so as to be able to image this type of heterogeneous sample while maintaining a good signal-to-noise ratio for both weak and strong signals, without having to compromise acquisition speed. Finally, Chapter V explores the use of polarization-resolved second harmonic generation (pSHG) to distinguish different structural proteins in the zebrafish embryo in vivo. By setting up an automated analysis pipeline and optimizing acquisition conditions, we are able to detect and identify axon tubulin, collagen, and myofilament assemblies within the same organism. A numerical framework for predicting the pSHG response in these different macromolecular arrangements is presented, and validated by experimental results.