Étude du couplage neurovasculaire rétinien humain à haute résolution par optique adaptative

High-Resolution Study of Human Neurovascular Coupling in the Retina Using Adaptive Optics

• Auteur / Autrice : Pierre Senée
• Direction : Serge Meimon, Michel Paques, Pedro Baraçal de Mecê
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Quantel Medical
• Partenaire(s) de recherche : Centre hospitalier : Centre hospitalier national d'ophtalmologie des Quinze-Vingts (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Fragola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karsten Plamann, Stephen Burns, Delphine Débarre, Serge Charpak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karsten Plamann, Stephen Burns

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vaisseaux sanguins

Imagerie médicale

Ophtalmologie -- Appareils et matériel

Couplage neurovasculaire

Optique adaptative

Rétine

Mots clés libres

Rétine

Optique adaptative

Couplage neurovasculaire

Ophtalmologie

Imagerie

Système vasculaire

Retina

Adaptive Optics

Neurovascular Coupling

Ophthalmology

Imaging

Vascular System

Résumé

L'œil, grâce à sa transparence, permet d'observer la rétine de manière non invasive via des méthodes optiques, en faisant un organe privilégié pour l'étude du couplage neurovasculaire, un mécanisme clé qui régule l'apport sanguin afin de satisfaire les besoins énergétiques des neurones. Ce processus, essentiel au bon fonctionnement cérébral, peut être altéré dans certaines pathologies oculaires et systémiques. Ainsi, le développement de systèmes d'imagerie de la rétine permettant de caractériser finement le couplage neurovasculaire grâce à une imagerie à haute résolution spatiale et temporelle du réseau vasculaire rétinien pourrait faciliter le diagnostic, la prévention et la compréhension de ces maladies.Les systèmes d'imagerie plein champ corrigés par optique adaptative (AO), tels que le banc ECUROeil développé par l'ONERA, offrent des avantages considérables pour l'étude du couplage neurovasculaire à haute résolution. Ils permettent une imagerie à la limite de diffraction (2 µm) avec un large champ et une haute cadence d'imagerie. Toutefois, la lumière diffusée par les différentes couches de la rétine réduit le contraste des images. Tout l'enjeu de ma thèse est de trouver un moyen d'améliorer ce contraste. Une piste pour cela est venue de l'utilisation d'une matrice de micromiroirs (DMD) pour projeter une illumination par motifs dans la rétine. Il a été démontré que cette technique améliore le contraste dans les zones éclairées et révèle, par contraste de phase dans les zones non éclairées, les parois des vaisseaux sanguins ainsi que les globules rouges.En s'appuyant sur ce principe, tout en conservant une imagerie à champ large et à haute vitesse, essentielle pour l'étude du couplage neurovasculaire, j'ai contribué à l'implémentation d'un nouveau système d'imagerie haute résolution : l'AO-CRSO (Confocal Rolling Slit Ophthalmoscope). Ce système projette une fine ligne d'illumination qui est balayée sur la rétine et synchronisée avec l'obturateur (« rolling shutter ») d'une caméra. En ajustant le décalage entre l'illumination et la détection, nous avons réussi à obtenir des images à contraste de phase sans distorsion, permettant ainsi de visualiser les vaisseaux sanguins et les globules rouges à 200 Hz sur un champ de 2,5° x 4°.Mon travail a ensuite consisté à adapter ce système pour l'étude de la dilatation des vaisseaux sanguins par couplage neurovasculaire au cours d'une stimulation lumineuse. Une voie de stimulation permettant de réaliser des tests « flicker », où une lumière visible est projetée dans l'œil pour stimuler les neurones de la rétine, a été intégrée dans le système. Ensuite, en utilisant des données empiriques acquises à la fois avec les systèmes DMD et AO-CRSO, j'ai optimisé les paramètres d'exposition et le décalage entre l'illumination et la détection, afin de maximiser le contraste des parois des vaisseaux sanguins. J'ai également développé un algorithme me permettant de traiter les images acquises pour mesurer automatiquement le diamètre des vaisseaux imagés. Cette méthode m'a permis de mesurer de manière robuste le diamètre des vaisseaux avec une précision de 0,1 µm toutes les 0,1 secondes sur des séquences d'imagerie de plusieurs minutes.Ce protocole a été mis en œuvre dans une étude clinique réalisée sur huit sujets sains, visant à étudier le couplage neurovasculaire avec une haute résolution spatio-temporelle. Nous avons observé une dilatation moyenne significative de 5,2 % des artères en réponse à la stimulation lumineuse. De plus, pour la première fois, nous avons pu visualiser la dynamique de dilatation des artères sous l'action simultanée du rythme cardiaque, de la vasomotion et du couplage neurovasculaire. Ces résultats ouvrent ainsi de nouvelles perspectives vers une caractérisation plus fine du couplage neurovasculaire in vivo.

The eye, due to its transparency, allows for non-invasive observation of the retina through optical methods, making it an ideal site for studying neurovascular coupling, a key mechanism that regulates blood flow to meet the neurons' energy demands. This process, essential for proper brain function, can be impaired in some ocular and systemic pathologies. Thus, the development of retinal imaging systems capable of finely characterizing neurovascular coupling through high spatial and temporal resolution imaging of the retinal vascular network could greatly facilitate the diagnosis, prevention, and understanding of these diseases.Full-field adaptive optics (AO) imaging systems, such as the ECUROeil bench developed by ONERA, offer significant advantages for studying neurovascular coupling at a high resolution. They enable diffraction-limited imaging (2 µm) on a wide field of view and at a high imaging rate. However, light scattered by the different retinal layers reduces image contrast. The main challenge of my thesis was to find a way to enhance this contrast. A solution to improve the contrast came from the use of a digital micromirror device (DMD) to project patterned illumination onto the retina. It has been shown that this technique improves bright field contrast in illuminated areas and reveals translucent structures such as the walls of blood vessels and red blood cells in the non-illuminated areas.Building on this principle, while maintaining a large field of view and high-speed imaging, which is essential for studying neurovascular coupling, I contributed to the implementation of a new high-resolution imaging system: the AO-CRSO (Confocal Rolling Slit Ophthalmoscope). This system projects a thin line of illumination that is scanned across the retina and synchronized with the rolling shutter of a 2D camera. By adjusting the offset between illumination and detection, we were able to obtain phase contrast images without distortion, allowing us to visualize blood vessels and red blood cells at 200 Hz over a 2.5° x 4° field of view.My work then focused on adapting this system to study blood vessel dilation due to neurovascular coupling during light stimulation. A stimulation channel allowing for 'flicker' stimulation, where visible light is projected into the eye to stimulate retinal neurons, was integrated into the system. Then, using empirical data acquired with both the DMD and AO-CRSO systems, I optimized the exposure parameters and the offset between illumination and detection to maximize the contrast of blood vessel walls. I also developed an algorithm to process the acquired images and automatically measure the diameter of the imaged vessels. This method allowed me to reliably measure vessel diameters with a precision of 0.1 µm every 0.1 seconds in imaging sequences lasting several minutes.This protocol was implemented in a clinical study conducted on eight healthy subjects, aiming to study neurovascular coupling with high spatial and temporal resolution. We observed a significant average dilation of 5.2% in the arteries in response to light stimulation. Furthermore, for the first time, we were able to visualize the full dynamics of arterial dilation influenced by heart rate, vasomotion, and neurovascular coupling. These results open new perspectives for a more detailed characterization of retinal neurovascular coupling in the retina.