Développement de techniques optiques d'imagerie des structures corticales et sous-corticales

Le développement de nouvelles techniques d'imagerie fonctionnelle cérébrale, au cours des dernières décennies, a grandement accéléré la recherche en neuroscience. Que ce soit à travers l'imagerie en résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui permet l'obtention de cartes indiquant les niveaux d'oxygénation en 3 dimensions, ou l'imagerie optique des signaux intrinsèques (IOI), qui de son côté permet la mesure des changements hémodynamiques à plus haute résolution sur la surface exposée du cortex, la génération de cartes fonctionnelles a permis une meilleure compréhension du cerveau et de son organisation. Toutefois, ces modalités présentent chacune des limitations, rendant l'exploration de certaines régions (ou fonctions) plus complexe. Par exemple, l'imagerie IRMf – BOLD a une résolution de l'ordre du mm3 (ou un peu moins sur les systèmes récents à très haut champ). Or, certaines structures thalamiques peuvent parfois être plus petites que la taille de ces voxels, ce qui est encore plus vrai dans les modèles animaux utilisés en recherche. Dans le cas de l'IOI, la résolution est augmentée, mais la mesure se limite à la surface seulement. Il n'est donc pas possible de rejoindre les structures sous-corticales. Le travail présenté dans cette thèse vise donc le développement d'outils d'imagerie optique permettant la lecture de l'activité cérébrale tant au niveau corticale que sous-cortical. Dans un premier temps, le développement de l'imagerie tomographique par modulation spatiale a été exploré. Cette technique permet la lecture de l'absorption de la lumière en 3 dimensions et a permis l'imagerie de volumes en transmission en temps réel. Toutefois, son utilisation en réflexion, qui est inévitable dans le contexte de l'imagerie du cerveau in vivo, s'est avérée moins efficace, se limitant au mieux à quelques centaines de micromètres de profondeur depuis la surface. Ainsi, le développement d'un deuxième système, le microscope confocal endoscopique (MCE), a été réalisé. Cette modalité utilise un faisceau de plusieurs fibres optiques de petite taille, pouvant être implanté dans le cerveau en limitant les dommages, et donnant un accès optique aux zones profondes du cerveau. De plus, l'imagerie en MCE se fait via la fluctuation de la fluorescence liée à la concentration des ions calciques à l'intérieur de cellules suite à l'injection du marqueur OregonGreen Bapta-1 AM. Cette mesure de l'activité neuronale est beaucoup plus directe comparé à la mesure de l'hémodynamique faite par les techniques mentionnées précédemment. Bien qu'il soit établi que l'activité neuronale a un impact sur les niveaux locaux d'oxygène (donc des concentrations en hémoglobines oxygénée et réduite), le chemin par lequel cette relation s'opère n'est pas encore toutefois maîtrisé. Le troisième volet de cette thèse explore certaines questions liées à cette problématique, avec l'utilisation d'un montage permettant l'acquisition IOI synchronisée à la mesure en fluorescence des signaux calciques.

Abstract

The development of new functional brain imaging techniques in recent decades has greatly accelerated neuroscience research. Whether through functional magnetic resonance imaging (fMRI), which allows the production of maps showing the oxygenation levels in 3 dimensions, or intrinsic signals optical imaging (IOI), which in turn allows measuring hemodynamic changes in higher resolution on the exposed surface of the cortex, the generation of functional maps allowed a better understanding of the brain and its organization. However, these methods each present limitations, making exploration of certain areas (or functions) more complex. With fMRI – BOLD as an example, imaging has a resolution of the order of mm (or a little less on newer systems with very high field). However, some thalamic structures can sometimes be smaller than the size of these voxels, which is even critical in the animal models used in research. In the case of IOI, the resolution is increased but the extent is limited to the surface only. It is thus not possible to join the subcortical structures. The work presented in this thesis aims to develop optical imaging tools for reading brain activity in both cortical and subcortical level. Initially, the development of tomographic imaging spatial modulation was explored. This technique allows the reading of the absorption of light in three dimensions and enables transmission imagery of volumes in real time. However, its use in reflection, which is unavoidable in the context of in vivo brain imaging, was less effective. At best, it was limited to a depth of few hundred micrometers from the surface. Thus, the development of a second system, the endoscopic confocal microscope (ECM), was carried out. This method uses a bundle of several optical fibers of small size, which can be implanted into the brain with limited damage and provide optical access to the deeper areas of the brain. In addition, ECM technique measures the fluorescence fluctuations related to concentration of calcium ions inside cells following injection of OregonGreen Bapta 1-AM dye. This measure of neuronal activity is much more direct compared to the measurement of the hemodynamic made by the aforementioned techniques. Although it is established that the neuronal activity has an impact on local oxygen levels (i.e. concentrations of oxygenated and reduced haemoglobin), the way in which this relationship occurs is however not yet mastered. The third part of this thesis explores some issues related to this problem, with the use of a bi-modal acquisition system based on IOI and fluorescence imaging to measure hemodynamics and calcium variations in a synchronised fashion.