Endo-microscopie du cerveau combinant microscopie confocale en fluorescence et tomographie par cohérence optique Doppler

L'épilepsie affecte près de 50 millions de personnes à travers le monde, parmi lesquelles 30% ne répondent pas aux traitements. Lorsqu'un patient ne répond pas au traitement, la résection de la zone irritée devient nécessaire dans les cas difficiles. Le défi pour l'épileptologue devient donc l'identification de cette zone. Les techniques classiques utilisées pour la localiser sont : le test clinique neurologique, les électroencéphalogrammes (EEG), l'implantation d'électrodes intracrâniennes et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) anatomique pour identifier les lésions. Parallèlement, les chercheurs explorent les techniques fonctionnelles, et utilisent de plus en plus des techniques d'imagerie hémodynamique. Pour mieux comprendre ces signaux, il est essentiel de connaitre le lien entre l'hyperactivité des neurones et les signaux hémodynamiques qui en résultent. Malheureusement, ce lien reste indéterminé en raison de la complexité des changements d'oxygénation du sang et des tissus lors d'évènements épileptiques. Afin d'élucider ce lien, les techniques actuelles ne permettent pas d'imager simultanément l'activité neuronale avec une résolution cellulaire et le flux sanguin dans le cortex du cerveau murin. La microscopie confocale en fluorescence (MCF), combinée à des marqueurs du calcium, est un outil potentiel pour imager directement l'activité neuronale avec une résolution sous cellulaire. Le suivi du flux sanguin dans des vaisseaux individuels et avec une profondeur de pénétration acceptable peut quant à lui être réalisé avec la tomographie par cohérence optique Doppler (DOCT). Cette technique basée sur l'interférométrie permet d'imager à une profondeur de 2 à 3 mm avec une résolution d'une dizaine de microns. Lorsqu'ils sont combinés à un endomicroscope,chacun de ces systèmes pourrait permettre d'imager en profondeur dans le cerveau. Cependant, la MCF et le DOCT n'ont pas encore été combinés à travers un endo-microscope adapté à ces deux modalités. L'objectif de ce projet est de développer un système d'imagerie microscopique pouvant mesurer l'activité neuronale et hémodynamique, puis d'évaluer la performance de ce système. Nous proposons donc de concevoir un endo-microscope multimodal combinant la MCF et le DOCT dans un bras d'imagerie commun pour les deux modalités. Ce bras peut être facilement manipulé ou installé sur un stage stéréotaxique puisqu'il est relié par fibre optique au reste du système. Le bras comporte un système 2D de galvanomètres pour l'imagerie 2D en MCF et l'imagerie 3D en DOCT.

Abstract

Epilepsy affects about 50 million people worldwide; 30% of which are unresponsive to treatment. Resection of the affected brain area needs to be performed for patients with severe epilepsy who remain unresponsive to treatment. The identification of the affected area is challenging. Techniques routinely used to localize this area include neurological examination, electroencephalography (EEG), stereoencephalography (SEEG), and magnetic resonance imaging (MRI). Researchers use functional imaging in to study epilepsy. With the increasing use of hemodynamic imaging techniques to characterize the epileptic brain, a clear link between the hyperactivity of neurons and ensuing hemodynamic signals is required to better understand these signals. Unfortunately, hemodynamic signals are confounded due to complex behavior of oxygenation in blood and tissue. Current techniques cannot image simultaneously neuronal activity at cell resolution and blood flow in the cortex in order to propose their relation to epilepsy. Confocal fluorescence microscopy (CFM) has proven to be a great tool to image directly neuronal activity with micron level resolution, using calcium indicators. The monitoring of blood flow in single vessels with a high penetration depth has been successfully achieved with Doppler optical coherence tomography (DOCT). This technique based on interferometry allows to image at a depth of 2-3 mm with a resolution of about 10 μm. When combined to an endo microscope, each of these systems can image deeply into the brain. However, CFM and DOCT have not been combined yet through an endo-microscope adapted to both modalities. The goal of this work is to develop a microscopic imaging system that can measure both neuronal activity and hemodynamics and then investigate its performance. We propose to design a multimodal endo-microscope combining confocal fluorescence microscopy (CFM) and Doppler optical coherence tomography (DOCT). A common imaging arm for both modalities includes a 2D galvanometer system for 2D imaging in CFM and 3D imaging in DOCT, and is terminated by a GRIN triplet. The triplet was designed to relay light deeply into the brain and maximize resolution. The common imaging arm can be manipulated or installed on a stereotaxic holder during the imaging session, as light collection is performed through optical fibers.