Projet ANR-15-CE19-0011 – ALPINS : Mise en forme spatiale de lumière par acousto-optique pour l'imagerie neuronale et la stimulation
Programme : Exploration du système nerveux dans son fonctionnement normal et pathologique (DS0407) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Laurent BOURDIEU (Institut de Biologie de l’Ecole Normale Supérieure)
Montant : 467753.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 36 mois
Résumé : Les neurosciences cellulaires et intégratives ont été bouleversées par la révolution optogénétique, qui offre la possibilité d'enregistrer et de modifier dans le cerveau l'activité de cellules génétiquement définies, grâce à des protéines reportrices de l’activité neuronale et grâce à des protéines activées par la lumière permettant de contrôler l’excitabilité des neurones. Cette révolution permet désormais d’analyser la dynamique des microcircuits du cerveau chez l'animal en comportement. Pour exploiter pleinement le potentiel des outils optogénétiques, il faut cependant, pouvoir délivrer la lumière à un instant précis, à une cellule bien définie, et en profondeur à l'intérieur du cerveau. Pour cela, il est nécessaire d’abord de disposer de techniques très rapides permettant de déplacer un faisceau laser pour échantillonner de larges populations neuronales en quelques millisecondes. Pour adapter le profil spatial d’illumination à la forme de la cellule enregistrée ou stimulée, il a été proposé d’utiliser des techniques de mise en forme spatiale d’un faisceau laser. Enfin, pour parvenir à réaliser des expériences d’imagerie au-delà des profondeurs standard, une possibilité est d’utiliser également des techniques de mise en forme spatiale de la lumière pour focaliser les photons diffusés par les tissus. Cependant, la plupart des techniques de mise en forme spatiale de faisceau laser sont limitées à un taux de rafraîchissement de quelques Hz, à quelques kHz. Un  dispositif très rapide et avec une dynamique spatiale suffisante fait actuellement défaut. Les déflecteurs acousto-optique (AODs) sont principalement utilisés comme dispositifs de balayage rapide de la lumière en 2D. Dans ce mode, une onde ultrasonore à une fréquence constante est utilisée pour défléchir le faisceau laser à un angle fixe. En utilisant une paire d’AODs orthogonaux, la lumière peut être balayée en 2D à une cadence de 100 kHz environ. Pour mettre en forme spatialement un faisceau laser avec un AOD, une onde ultrasonore avec une fréquence variable à travers l'ouverture de l’AOD doit être utilisée. Mais comme l'onde ultrasonore se propage à travers l'ouverture, la forme du faisceau change au cours du temps, empêchant ainsi l'utilisation des AODs comme dispositif de mise en forme de faisceaux. Nous avons récemment proposé une méthode révolutionnaire pour concevoir un dispositif de mise en forme spatiale ultra-rapide de faisceaux basé sur des AODs. En synchronisant l'onde ultrasonore dans un AOD avec les impulsions émises par un laser à faible taux de répétition, chaque impulsion interagit avec une onde acoustique transitoirement "gelée" dans l’AOD. L'impulsion peut donc être façonnée de façon arbitraire à une vitesse de l'ordre de 100 kHz. Dans les applications de microscopie non-linéaires, ce taux de rafraîchissement peut être obtenu avec un amplificateur régénératif, qui fournit de plus faible taux de répétition (~ 100 kHz), mais avec une énergie par impulsion cent fois plus élevée en comparaison des lasers fs standard (100MHz). Ce projet de recherche consiste dans les tâches suivantes. 1) Nous souhaitons implémenter cette nouvelle technologie dans un microscope à deux photons. 2) Nous caractériserons ses performances optiques en enregistrant et / ou stimulant des centaines de neurones en 3D dans toute une colonne corticale avec la résolution du potentiel d’action unique et de la milliseconde. 3) Nous profiterons  de la rapidité de ce dispositif pour focaliser les photons diffusés par les tissus et réaliser des expériences d'imagerie fonctionnelle ultra-profonde. 4) Nous étudierons par cette méthode comment les neurones du cortex à tonneaux peuvent construire une représentation de signaux sensoriels attendus dans une tâche sensori-motrice. 5) Nous enregistrerons dans le cervelet de grandes populations de fibres moussues et d’interneurones de Golgi dans un animal tête-fixé au repos et pendant les épisodes de marche.