Microscopie à modulation du front d'ondes

Présentation

Combinées à des actuateurs optogénétiques et à des lasers amplifiés de haute puissance, ces stratégies optiques permettent un contrôle spatio-temporel précis de l’activité de neurones uniques ou de populations neuronales ciblées. Elles ont ainsi rendu possible la manipulation de circuits neuronaux dans des volumes de l’ordre du millimètre, avec une résolution spatiale cellulaire et une précision temporelle de l’ordre de la milliseconde dans le cortex de la souris, in vitro comme in vivo.
Couplées à l’imagerie calcique, le groupe a pu démontrer des approches tout-optiques de lecture/écriture permettant de suivre et de manipuler simultanément l’activité neuronale, ouvrant la voie à une cartographie fonctionnelle fine des circuits neuronaux.
En intégrant l’holographie multiphotonique à l’endoscopie, le groupe a montré la possibilité de réaliser simultanément de la photostimulation et de l’imagerie fonctionnelle rapide (jusqu’à 80 Hz) à résolution cellulaire chez des souris en libre mouvement, en ciblant à la fois des régions corticales et l’hippocampe.
Plus récemment, le groupe a démontré que le façonnage holographique de la lumière combiné au temporal focusing permet une imagerie de potentiel de membrane à haut contraste et haute résolution, in vitro et in vivo, dans des préparations densément marquées, notamment le cortex de la souris et des larves de poisson zèbre exprimant des indicateurs génétiquement encodés du potentiel de membrane basés sur la GFP ou les rhodopsines.
Ces travaux s'articulent autour de quatre domaines principaux :

1. Optogénétique holographique à grande échelle et imagerie de voltage
   Nous développons des stratégies optiques pour la photostimulation multi-cibles à deux photons à grande échelle et l'imagerie fonctionnelle (Ca²⁺ ou voltage). Ces approches permettent une illumination précise et parallèle de larges ensembles neuronaux tout en maintenant une haute résolution temporelle et spatiale. À terme, ce travail vise une cartographie fonctionnelle à grande échelle, entièrement optique et à haut débit, de la connectivité neuronale à travers des régions cérébrales étendues et anatomiquement distribuées chez la souris.
2. Manipulation tout-optique en profondeur avec microscopie holographique à trois photons
   Nous développons des approches holographiques avancées à trois photons pour une stimulation optique précise à l'échelle cellulaire et une imagerie fonctionnelle des populations neuronales profondes dans les tissus vivants. Ces méthodes ouvrent de nouveaux paradigmes expérimentaux pour explorer l'organisation et la dynamique des circuits neuronaux à travers les couches corticales.
3. Manipulation tout-optique des circuits rétiniens
   Nous développons des interfaces tout-optiques « lecture-écriture » pour l'exploration non invasive des circuits rétiniens à travers plusieurs couches fonctionnelles. Ces systèmes permettent le contrôle des entrées rétiniennes au niveau des photorécepteurs, la manipulation des circuits internes de traitement rétinien, et le suivi des réponses neuronales au niveau des cellules ganglionnaires rétiniennes, dans la rétine de souris et des explants rétiniens de primates non humains.
4. Manipulation tout-optique chez des animaux en mouvement libre
   Nous avons développé une nouvelle classe de microendoscopes flexibles à deux photons (2P-FENDO) permettant une imagerie quasi-cellulaire et un contrôle optogénétique de l'activité neuronale dans les couches corticales de souris en mouvement libre, avec acquisition rapide et champs de vue larges jusqu'à ~500 µm. Les architectures récentes de 2P-FENDO permettent également l'imagerie en profondeur et la photostimulation ciblée dans des régions profondes comme l'hippocampe. Ces instruments offrent des capacités uniques pour suivre et perturber les circuits neuronaux chez des animaux en comportement libre, ouvrant de nouvelles perspectives pour étudier les bases neuronales du comportement dans des conditions naturalistes.