Méthodes optiques avancées pour le contrôle de l’activité cérébrale

par Francesca Anselmi

Thèse de doctorat en Physique Optique

Sous la direction de Valentina Emiliani et de Cathy Ventalon.

Soutenue en 2011

à Paris 5 .


  • Résumé

    La stimulation du cerveau par la lumière est devenue un instrument fondamental dans le domaine des neurosciences, grâce à l’utilisation de molécules photosensibles telles les neurotransmetteurs cagés ou les canaux ioniques et les pompes optogénétiques. Pour exploiter les potentialités de ces nouveaux composés et obtenir un contrôle spatio-temporel complet de l’activité neuronale, il est nécessaire de développer des méthodes permettant d’illuminer des préparations cérébrales. Dans ce contexte, nous avons présenté deux nouvelles techniques de façonnage spatial de la lumière par modulation de phase, en démontrant leur application pour la photostimulation de l’activité neuronale. Dans le premier projet, nous avons implémenté un système optique combinant le Contraste de Phase Généralisé pour le façonnage latéral du profil d’illumination, et la Focalisation Temporelle pour le confinement axial des patrons d’excitation. Nous avons utilisé ce système pour la photoactivation biphotonique de neurones exprimant le canal photosensible Channelrhodopsin2. Pour pouvoir stimuler des structures cérébrales organisées dans des volumes complexes, nous avons développé une deuxième technique, qui permet la photoactivation en trois dimensions par holographie numérique et, en même temps, l’imagerie par un système de focalisation éloignée. Le plan d’imagerie pouvait être déplacé axialement ou bien incliné par rapport au plan focal principal. Cette méthode a été utilisée pour réaliser l’imagerie calcique à champ large de dendrites obliques, après stimulation par photolyse de glutamate à plusieurs positions.

  • Titre traduit

    Advanced optical methods for brain activity control


  • Résumé

    Brain stimulation with light has become a fundamental tool in neuroscience, thanks to the advent of photosensitive molecules, such as cagedneurotransmitters, optogenetic ion channels and pumps. To fully exploit the potentialities of these novel compounds and achieve complete spatio-temporal control of neuronal activity, it is necessary to develop new efficient ways to deliver light into brain preparations. In this work, we presented two novel optical systems for spatial light patterning by phase modulation and demonstrated their application to photostimulation of neuronal activity. In the first project, we implemented an optical system for two-photon photoactivation,combining Generalized Phase Contrast for lateral shaping of the illumination profile, and Temporal Focusing for axial confinement of excitation patterns. We used this system for two-photon stimulation of cortical neurons expressing the light-sensitive ion channel Channelrhodopsin-2. To further extend photostimulation to brain structures organized into complex volumes, we developed a second technique, allowing three-dimensional photoactivation by digital holography, and simultaneous imaging with a remote focusing system along arbitrary planes, either axially displaced or tilted with respect to the principal focal plane. This method was used to perform scanless widefield calcium imaging of oblique dendrites, after stimulation by glutamate photolysis at multiple positions.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (174 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie p.172-174

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : PARIS 5 DESCARTES_2011_no_T028
  • Bibliothèque : Université Paris Descartes-Bibliothèque médicale Cochin-Port Royal (Paris). Service commun de la documentation. Service commun de la documentation.
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