Infrared stimulation of neurons

par David Moreau

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Rodney O'Connor et de Claire Lefort.

Soutenue le 26-09-2017

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Couderc.

Le jury était composé de Rodney O'Connor, Claire Lefort, Jean-Marc Edeline, Sylvia Bardet.

Les rapporteurs étaient Jean Valmier, Fabrice Bardin.

  • Titre traduit

    Stimulation infrarouge de neurones


  • Résumé

    L’exposition aux radiations laser infrarouge peut être utilisée afin de dépolariser des neurones et stimuler l’activité neuronale. Le mécanisme sous-jacent d’une telle stimulation est supposé résulter d’une interaction photothermique. En effet, l’absorption de la radiation infrarouge par le tissu biologique cible, et l’eau qu’il contient, induit une augmentation de température de manière localisée, qui soit influencerait directement les propriétés membranaires de la cellule soit agirait par le biais de l’activation de canaux ioniques thermo-sensibles. Dans la plupart des cas, l’activité électrique des neurones est mesurée électriquement à l’aide de microélectrodes, mais elle peut également être sondée par le biais de la microscopie de fluorescence faisant intervenir des indicateurs calciques. Dans ce travail, l’impact de l’exposition à la radiation infrarouge sur les signaux calciques de neurones a été étudié dans le but d’éclaircir et de préciser le mécanisme résultant de l’interaction photothermique. Des neurones HT22, issus d’hippocampe de souris, et des cellules U87, issues d’un glioblastome humain, ont été utilisés en tant qu’exemples de cellules électriquement excitables et non excitables respectivement. Afin de mesurer la température et les signaux calciques au niveau cellulaire, les fluorophores Rhodamine B et Fluo-4 ont été employés. Le montage, par conséquent tout optique, pour étudier l’influence de l’exposition infrarouge sur l’activité neurale est donc présenté, ainsi que la démarche scientifique menant à l’identification de l’implication de l’activité de la phospholipase C dans le mécanisme étudié. La possibilité de stimuler l’activité neurale in vivo, dans le cerveau d’une souris, avec une mesure simultanée des signaux calciques, est également démontrée à l’aide de souris transgéniques exprimant le GCaMP6S.


  • Résumé

    Infrared laser light radiation may be used to depolarize neurons and to stimulate neural activity. The underlying mechanism of such stimulation is believed to happen due to a photothermal interaction. The absorption of the infrared radiation by the targeted biological tissue inducing a local temperature increase which either directly influence membrane properties or act via temperature sensitive ion channels. Action potentials are typically measured electrically in neurons with microelectrodes, but they can also be observed using fluorescence microscopy techniques that use synthetic or genetically encoded calcium indicators. In this work, we studied the impact of infrared laser light on neuronal calcium signals to address the mechanism of these thermal effects. HT22 mouse hippocampal neurons and U87 human glioblastoma cells were used loaded with the fluorescent calcium dye Fluo-4 and with the temperature sensitive fluorophore Rhodamine B to measure calcium signals and temperature changes at the cellular level. Here we present our all-optical strategy for studying the influence of infrared laser light on neural activity, and the scientific approach leading to conclusion of the involvement of Phospholipase C activity during infrared neural stimulation. The ability of infrared exposure to trigger neural activity in mice brain in vivo is also investigated with the use of GCaMP6s transgenic mice.


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