Développement d'un système de tomographie optique laminaire pour application à l'imagerie de la moelle épinière du petit animal

Plusieurs modalités d'imagerie fonctionnelle, telles que l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle, l'Optique Diffuse ou l'Optique Intrinsèque, ont été développées afin de quantifier l'activité présente dans les tissus neuronaux. Bien qu'elles aient été largement appliquées sur le cortex, leur application à la moelle épinière est plutôt rare. Les difficultés physiologiques et anatomiques telles que le mouvement respiratoire, la petite taille, la présence d'inhomogénéités magnétiques et l'inversion entre matière grise et matière blanche comparé au cerveau rendent les techniques d'imagerie neuronale usuelles déficientes. La Tomographie Optique Laminaire (TOL) est une technique récemment développée qui comble le vide entre l'imagerie optique intrinsèque et l'imagerie optique diffuse. Son principe est fondé sur le balayage d'une source lumineuse et de détecteurs à la surface du tissu imagé. En utilisant des distances de séparation source-détecteur différentes, la lumière qui se propage dans les tissus peut être distinguée de celle qui émerge de la surface fournissant ainsi de la sensibilité en profondeur. Ce travail de maîtrise proposait de développer un système de Tomographie Optique Laminaire en vue de l'appliquer à l'imagerie de l'activité neuronale de la moelle épinière du rat. Après la phase de conception, des acquisitions sur différents fantômes ont permis de caractériser les performances du système ainsi que de valider sa stabilité et sa robustesse. Finalement, la conduite d'expériences in vivo sur des rats a fourni les preuves nécessaires pour démontrer la capacité de la TOL envers cette application particulière. L'établissement de cartes d'activation tridimensionnelles a mis en évidence l'activité neuronale présente dans la totalité de la moelle épinière en permettant de distinguer avec une précision satisfaisante les contributions du signal sur différentes profondeurs d'observation.

Abstract

Several functional imaging methods, such as functional Magnetic Resonance Imaging, Diffuse Optical Imaging or Intrinsic Optical Imaging, have been developed in order to quantify neuronal activity. Although they were extensively applied to the cortex, their application to the spinal cord is rare. The physiological and anatomical issues including respiratory movement, small size, presence of magnetic susceptibility artefacts and inversion between grey matter and white matter compared to the brain make standard imaging techniques feeble. Laminar Optical Tomography (LOT) is a technique developed recently which fills the gap left between intrinsic optical imaging and diffuse optical imaging. Its principle is based on a scanning light source and detectors across the surface of the imaged tissue. Using distinct source-detector separations, the light at different depths in tissue can be distinguished thus providing depth sensitivity. This M.Sc work proposed to develop a Laminar Optical Tomography system in order to apply it to the imaging of neural activity in the rat spinal cord. After the design stage, acquisitions with various phantoms are made to characterize the system performances and validate its stability and robustness. Finally, in vivo experiments were conducted on rats, providing evidence that LOT can be applied for this particular application. The reconstruction of three-dimensional activation maps highlighted for the first time the neural activity in the whole spinal cord with optical technique making it possible to distinguish the signal contributions from various depths of observation.