Techniques optiques innovantes utilisant des fibres multicoeurs pour les études cérébrales tout-optique à deux photons

Innovative optical methods using fiber bundles for two-photon all-optical brain studies

• Auteur / Autrice : Antonio Lorca Cámara
• Direction : Valentina Emiliani, Nicoló Accanto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• 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 : Hervé Rigneault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hana Uhlířová, Volker Bormuth
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tobias Bonhoeffer, Ziv Yaniv

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie

Cerveau

Holographie

Optogénétique

Absorption à deux photons

Microscopie de fluorescence

Fibres optiques

Mots clés libres

Microscopie à deux photons

Fibre multicoeur

Optogénetique

Holographie

Neurophotonique

Études tout-optique

Two photon microscopy

Fiber bundle

Optogenetics

Holography

Neurophotonics

All-Optical studies

Résumé

En neurosciences, des outils et techniques optiques avancés sont nécessaires pour imager et manipuler les circuits cérébraux chez des animaux vivants et en se comportant librement. Les développements en microscopie à deux photons et en optogénétique ont facilité la réalisation d'imageries entièrement optiques et de la photostimulation optogénétique de populations neuronales avec une résolution cellulaire unique, en particulier chez les animaux dont la tête est maintenue immobile. De plus, des approches optiques telles que la focalisation temporelle et l'holographie générée par ordinateur ont permis le ciblage précis de neurones individuels ou de groupes de neurones avec une résolution cellulaire unique dans un volume. Ces stratégies ont été utilisées dans des expériences novatrices pour influencer le comportement des animaux, affecter la perception et cartographier la connectivité in vitro et in vivo chez les animaux. Au cours de ma thèse, j'ai d'abord axé mes recherches sur le développement d'une fibrescope flexible à deux photons (2P-FENDO) capable de mener des investigations cérébrales entièrement optiques à une résolution cellulaire proche, chez des souris se déplaçant librement. Nous avons utilisé un faisceau de fibres, et exploité la dispersion intrinsèque des retards intercœurs du faisceau, avec une lentille GRIN pour réaliser une imagerie fonctionnelle rapide à deux photons et une photostimulation holographique à deux photons de neurones individuels et multiples avec un confinement axial de ~8 µm dans un champ d´excitation de 250 µm en diamètre. 2P-FENDO, peut permettre l'imagerie simultanée et le contrôle de réseaux neuronaux définis dans le cerveau pendant des comportements animales naturalistes. La deuxième partie de la thèse introduit une nouvelle approche optique utilisant un faisceau de fibres et un modulateur spatial de lumière pour le modelage bicouleur de la lumière à deux photons en trois dimensions. Ce système permet un ciblage précis et reconfigurable d'un grand nombre de neurones avec une résolution cellulaire unique (~20 µm) dans un volume de 380 x 380 x 300 µm3, capitalisant sur le retard temporel intercœurs et l'indépendance en termes de longueur d'onde des lasers. Comparé aux systèmes précédents de modelage tridimensionnel de la lumière, cette approche simplifie la configuration optique tout en maintenant une bonne résolution axiale indépendamment de la taille résultante du spot et il permet la génération de motifs de lumière multicouleurs bidimensionnels et tridimensionnels en utilisant un seul chemin de faisceau et deux longueurs d'onde laser distinctes simultanément.

In neuroscience, advanced optical tools and techniques are required to map and manipulate brain circuits in living and freely behaving animals. Developments in two-photon microscopy and optogenetics have facilitated the performance of all-optical imaging and optogenetic photostimulation of neuronal populations with single-cell resolution, particularly in head-restrained animals. Furthermore, optical approaches like temporal focusing and computer-generated holography have enabled precise targeting of single or groups of neurons with single-cell resolution within a volume. These strategies have been used in pioneering experiments to influence animal behavior, affect perception and map connectivity in vitro and in vivo animals. In the course of my thesis, I firstly focused on the development of a flexible two-photon fiberscope (2P-FENDO) capable of conducting all-optical brain investigations at near cellular resolution in freely moving mice. We employed a fiber bundle, and the exploited intrinsic inter-core delay dispersion of the bundle, with a GRIN lens to perform fast two-photon functional imaging and two-photon holographic photostimulation of single and multiple neurons with a ~8 µm axial confinement within a field of view of 250 µm in diameter. 2P-FENDO will permit the simultaneous imaging and control of defined neuronal functions in the brain during naturalistic animal behaviors. The second part of the thesis introduces a novel optical approach using a fiber bundle and a spatial light modulator for dual-color two-photon light patterning in three dimensions. This system achieves precise and reconfigurable targeting of large numbers of neurons with a good axial resolution (~20 µm) within a 380 x 380 x 300 µm3 volume, capitalizing on the inter-core temporal delay and the lasers wavelength independency. Compared to previous three-dimensional light patterning systems, this approach simplifies the optical setup while maintaining good axial resolution independently of the resultant spot size and it allows for the generation of two-dimensional and three-dimensional multicolor light patterns using a single beam path and two distinct laser wavelengths simultaneously.