Développement d’un microscope holographique pour des études tout-optiques du cerveau avec une seule source laser – SLALLOM

Les dispositifs optiques pour stimuler et imager l'activité neuronale ont permis récemment des avancées significatives en neurophysiologie vers la compréhension du fonctionnement du cerveau. Les outils moléculaires, tels les activateurs optogénétiques, les sondes d'imagerie calciques, associés aux techniques de microscopie avancées ont permis la manipulation et une lecture ‘tout-optique’ des circuits neuronaux.  Cependant, des défis importants restent à surmonter pour un contrôle neuronal optique complet: une expression fiable des capteurs/activateurs dans un même neurone, l'élimination de la diaphonie entre les canaux d'imagerie et d’activation et une précision à l’échelle du neurone et du potentiel d’action uniques. SLALLOM est un projet ambitieux visant à relever ces défis. Il intègre 2 équipes universitaires (Wavefront-Engineering Microscopy group, WEM, du Laboratoire de Neurophotonique et le groupe Lasers du Laboratoire Charles Fabry, LCF) et 2 partenaires industriels (Amplitude Systemes, AS et ALPhANOV).
L'idée principale de SLALLOM est de développer un nouveau microscope tout-optique à excitation holographique (Computer-Generated Holography, CGH) et à imagerie 2-photons, les deux en trois-dimensions (3D), utilisant un laser femtosecond (fs) unique à double sortie, une pour l’excitation multicellulaire 3D et une pour l’imagerie 3D.
Le laser développé dans SLALLOM représente une rupture technologique visant à remplacer les lasers actuels utilisés en imagerie et photoactivation à 2-photons pour l’optogénétique. En effet, ces lasers (e.g. les lasers Ti:Sapphire, ou les lasers à fibre dopées Ytterbium) souffrent d'inconvénients majeurs: manque d'énergie ou de puissance, trop faible cadence ou longueurs d'onde d'excitation hors des pics d'absorption des outils moléculaires à 2 photons.  Ces inconvénients représentent un frein à la parallélisation massive de la manipulation neuronale.
Nous proposons un nouveau paradigme pour ce type d’applications avec un laser fs à double-sortie, auto-synchrone, efficace, fonctionnant dans la gamme de longueurs d'onde optimale 920-975 nm. La source utilisera la conversion en fréquence de deux lignes amplificatrices à base de fibres dopées Thulium, injectées par un oscillateur Erbium (lui-même décalé en fréquence). Les paramètres des deux lignes seront optimisés pour leurs objectifs respectifs: l’imagerie (> 5 W, 40 MHz et 100 fs) et la photoactivation (> 5 W, 10 µJ et 100 fs).
Le microscope 3D-CGH sera optimisé pour adresser un champ d'excitation large. Il intégrera un système de balayage pour l'imagerie fonctionnelle 3D de l'activité neuronale. La diaphonie sera supprimée en exploitant la supériorité en résolution temporelle du CGH en l’associant à des opsines à cinétique rapides. Ce microscope sera utilisé pour suivre in vivo la complexité du cerveau au niveau du cortex visuel en haute résolution spatio-temporelle.
Ce projet, piloté par le groupe WEM, implique quatre partenaires dont l'expertise est reconnue au niveau international. Le groupe WEM est précurseur depuis plus de 10 ans dans le façonnage spatio-temporelle de la lumière par CGH et la focalisation temporelle, comme moyen de ciblage de haute précision spatio-temporelle et parallélisé à de groupes de cellules. Le LCF est largement reconnu comme un acteur majeur de la recherche sur les lasers ultra-rapides pompés par diode appliqués à l’imagerie biologique. ALPhANOV est un centre technologique de renommée internationale spécialiste du développement de lasers à fibre innovants en régimes de fonctionnements extrêmes. AS est la société leader mondial dans la production de systèmes laser fs intégrés de haute qualité industrielle et collabore depuis plus de 10 ans avec le LCF à travers un laboratoire commun.
Le consortium SLALLOM démontrera une source laser fs fiable, adaptée au microscope 3D-CGH pour étudier l'activité cérébrale in vivo avec une haute résolution spatio-temporelle et des résultats scientifiques et industriels inégalés.