Projet ANR-15-CE19-0001 – 3DHoloPAc : Holographie tri-dimensionelle pour l’activation parallèle des neurones
Programme : Etude des systèmes biologiques, de leur dynamique, des interactions et inter-conversions au niveau moléculaire (DS0401) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame Eirini Papagiakoumou (Laboratoire de Neurophotonique)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 305859.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 36 mois
Résumé : L’utilisation des moyens optiques pour stimuler et surveiller l'activité neuronale dans des préparations de cerveau intact ont fourni beaucoup de lucidité au cours de la dernière décennie en neurophysiologie. Des excitateurs optogénétiques, des sondes d’imagerie calcique ou du potentiel membranaire, et d’autres outils moléculaires qui génèrent une activité localisée, ainsi dans l’espace que dans le temps, dans les systèmes vivants, ont beaucoup contribué à l'adoption de la lumière comme l'alternative aux électrodes pour stimuler ou suivre les réponses neuronales. Malgré la précision en ciblage moléculaire de tous ces outils, la spécificité de la lumière d'illumination est toujours essentielle pour étudier avec succès la communication des neurones dans des réseaux tridimensionnels (3D). Ainsi, des nouveautés sur les méthodes optiques qui améliorent la résolution spatio-temporelle devraient se développer.
3DHoloPAc est une tentative de développer davantage les méthodes que nous avons proposées récemment dans le groupe de Microscopie par Modulation du Front d’Onde à l'Université Paris Descartes, comme l’holographie numérique (Computer-Generated Holography ; CGH) et le contraste de phase généralisé, pour la photoactivation efficace des neurones. L'objectif est de fournir un outil pour mieux suivre la complexité 3D du cerveau avec une haute résolution spatiale et temporelle, à l'aide de l'ingénierie du front d'onde optique en excitation bi-photonique. Plus précisément, nous emploierons CGH, qui utilise des hologrammes de phase générés par ordinateur et adressés sur un modulateur spatial de phase (Spatial Light Modulator; SLM) à la base de cristaux liquides, pour réorganiser la lumière en patrons complexes d’illumination laser. Ce projet porte sur l'adaptation de cette méthode pour la projection simultanée des patrons complexes dans différents plans axiaux dans le volume de l'échantillon. Cette capacité, bien qu’elle soit très commune pour projeter des multi-points limités en diffraction en 3D, surtout pour des applications des pinces optiques, n'a jamais été rigoureusement démontrée ou utilisée pour projeter des patrons de forme arbitraire d’une surface large, une approche extrêmement bénéfique dans la neurobiologie, où les réseaux neuronaux sont développés en 3D. En plus, sa combinaison avec la focalisation temporelle des impulsions laser permettra d’obtenir des patrons d’excitation de très bonne résolution axiale, malgré leur surface étendue.
De plus, nous utiliserons CGH pour moduler l'intensité qui est attribué à chaque motif d’excitation, afin de corriger les inhomogénéités de l’intensité dues à la diffusion de la lumière dans le tissue et à la basse efficacité de diffraction du SLM aux bords du champ d’excitation. De la même manière nous allons aussi homogénéiser la réponse des cellules exprimant les molécules optogénétiques à différents niveaux. La réalisation d'un microscope holographique 3D en excitation bi-photonique permettra une stimulation multi-cellulaire dans des multi-plans, que nous proposons de tester dans la photoactivation de neurones exprimant des molécules optogénétiques dans des tranches de cerveau de la souris et dans la rétine, un système idéal pour ce type de manipulations grâce à sa structure en couches, afin de comprendre comment l’information visuelle est transmise par les cellules bipolaires aux cellules ganglionnaires. La dernière application s’effectuera dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de la Vision à Paris.
Le but ultime est de développer un système capable de s'adapter et de répondre aux besoins de tout type de préparation biologique. L’obtention des résultats positifs nous motivera à étendre l'application de nos méthodes dans le futur pour des expériences ‘in vivo’.
Mon expertise acquise pendant huit ans dans le domaine de la structuration de la lumière en microscopie bi-photonique assure la faisabilité du projet, ainsi que sa réussite.