Endoscopie sans lentille: Imagerie en profondeur dans le cerveau vivant – LENIMBRA

Pour réaliser l'objectif, une approche interdisciplinaire sera privilégiée.
Le développement instrumental et méthodologique sera guidé par une expérience ciblée en neuro-imagerie, imagerie simultanée de l'activité neuronale dans l'hippocampe et le cortex entorhinal d'une souris vivante.
Fibres multi-cœurs seront conçues et fabriquées spécifiquement pour le projet. Pour réaliser l'endoscope sans lentille, l'imagerie à travers des fibres multi-cœurs sera réalisée grâce à une intégralité d'interférométrie, holographie, façonnage de front d'onde, et optique adaptative.

Résultats attendus:

* Une série de fibres à cœurs multiples optimisées pour l'imagerie 2PEF.

* Des algorithmes de stabilisation qui elimine des défis pratiques (élimination de la dérive de phase du au courbure de la fibre; élimination de la dérive du retard de groupe du au courbure de la fibre).

* Interfaçage cerveau-fibre.

* Un endoscope sans lentille en état de fonctionnement avec une sonde flexible et capable d'imagerie 2PEF.

* Démonstration d'imagerie endoscopique de deux régions de cerveau distantes.

Considérant les résultats préliminaires, l'on s'attend à ce que les résultats de LENIMBRA vont permettre d'incorporer plusieurs mécanismes de contraste dans des endoscope. D'abord la fluorescence à trois photons (3PEF), génération de seconde harmonique (SHG), et génération de troisième harmonique (THG) qui sont conceptuellement similaire à l'imagerie 2PEF. Ensuite aussi des contrastes à plusieurs faisceau d'excitation comme Raman cohérent (CARS) et Raman stimulé (SRS) et 2PEF à deux couleur.

L'approche de LENIMBRA d'une hybride microscope-endoscope en imagerie in vivo du système hippocampus-cortex entorhinal pourra être spécialisé pour l'étude d'autres, importantes, régions profondes du cerveau et leurs interaction avec des régions moins profonde dans le cortex ou l'hippocampe.

Électroencéphalographie (EEG), magnétoencéphalographie (MEG), et imagerie à résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) sont les techniques principales pour mesurer l'activité neuronale à l’échelle du cerveau entier. Elle ne mesure l'activité que de manière indirect et sont incapable d'atteindre une résolution cellulaire. L'endoscope sans lentille développée pendant LENIMBRA devrait être suffisamment non-invasif qu'il pourra être utilisé en conjonction avec les techniques ci-citées, pour ainsi construire un pont entre l'échelle macroscopique et l'échelle cellulaire.

A l'échelle cellulaire, des outils d'enregistrement de champs local existent, qui mesurent les signaux extracellulaires de manière directe et avec une excellente résolution temporelle, mais sans résolution spatiale. L'endoscope sans lentille pourrait être utilisé en conjonction avec enregistrement de champ local, ce qui donnerait une complémentarité entre résolution temporelle et spatiale.

L'optogénétique est considérée comme une technologique clé dans le futur de la neuroscience. De la même manière que les méthodes optogénétique peuvent être réalisées sous un microscope 2PEF, l'endoscope sans lentille aura la même capacité.

[1] E. R. Andresen, S. Sivankutty, G. Bouwmans, L. Gallais, S. Monneret, H. Rigneault, «Measurement and compensation of residual group delay in a multi-core fiber for lensless endoscopy«, J. Opt. Soc. Am. B 32(6), 1221-1228 (2015).

[2] E. R. Andresen, S. Sivankutty, G. Bouwmans, O. Vainvinq, L. Gallais, S. Monneret, H. Rigneault, «Towards two-photon lensless endoscopes: inter-core group delay compensation in a multi-core fiber «, Proc. SPIE 9536, Advanced Microscopy Techniques IV; and Neurophotonics II, 953605 (2015).

[3] S. Sivankutty, E. R. Andresen, R. Cossart, G. Bouwmans, S. Monneret, H. Rigneault, «Ultra-thin rigid endoscope: Two-photon imaging through a graded-index multi-mode fiber«, arXiv preprint arXiv:1510.04818 (2015)

En imagerie bi-photon se présente un défi persistant, imagerie en profondeur dans le tissu. En particulier, il est un défi de mesurer l'activité neuronale avec une résolution mono-cellulaire dans le cerveau profond. Imagerie bi-photon est le meilleur procédé afin d'imager l'activité neuronal, cependant il reste impuissant devant les effets de la diffusion en tissue qui limite la profondeur maximale d'où l'on puisse tirer une image à 100 micron - 1 mm.

Le projet LENIMBRA soulèvera ce défi en développant une méthodologie qui permettra d’acquérir une image bi-photon au bout d'une guide d'onde - une fibre multi-coeur - avec la même vitesse et flexibilité que l'on a dans un microscope bi-photon. Cette guide d'onde constituera la sonde flexible d'un 'endoscope sans lentille'.

L'objectif est désormais de développer un endoscope bi-photon sans lentille ayant une sonde flexible à diamètre 200 microns, soit suffisamment petite pour qu'elle puisse être insérée profondément dans le cerveau de souris afin de faciliter une imagerie du tissu profond.

Afin de réaliser cet objectif, une approche inter-disciplinaire sera adoptée. Les développements instrumentaux et méthodologiques seront guidés par une application identifiée, l'imagerie simultanée de l'activité neuronale dans l'hippocampe et le cortex entorhinal de la souris vivante. Des fibres multi-coeurs seront conçues et fabriquées exprès pour le projet. Afin de réaliser l'endoscope sans lentille, l'imagerie à travers les fibres multi-coeurs sera accomplie à l'aide d'une intégralité de méthodes telles l'interférométrie, l'holographie, le façonnage spatial d'onde, et l'optique adaptative.

Le projet comprend de nombreux aspects novateurs. Les fibres multi-coeurs à développer au cours du projet seront les premières à être optimisées pour l'imagerie bi-photon. L'endoscope à développer représente le terrain inconnu de l'imagerie non-linéaire à travers une guide d'onde. Son mise en œuvre aux cotés des méthodes d'imagerie neuronale existantes représente une manière novatrice de sonder les interactions fonctionelles à longe distance dans le cerveau.

Les résultats ainsi obtenus pendant LENIMBRA permettront la mise en œuvre d'autres mécanismes de contraste et d'autres méthodes d'imagerie en mode endoscopique, ce qui ouvrira des nouveaux horizons en imagerie du cerveau.