Imagerie du potentiel des cellules en excitation deux-photons sans balayage dans des milieux diffusants – 2P-VISMA

Le progrès récent des techniques d'imagerie optique ont permis l'enregistrement non invasif de l'activité neuronale, offrant un aperçu sans précédent de la dynamique complexe des circuits neuronaux. Cependant, des défis persistent dans la quantification précise des signaux du potentiel membranaire dans les structures cérébrales profondes, en particulier dans les échantillons densément marqués et diffusants. Le projet 2P-VISMA vise à répondre à ces limitations en développant de nouvelles stratégies optiques et des algorithmes de démixage des signaux pour l’enregistrement simultané des signaux de potentiel membranaire dans de multiples cellules à l'intérieur du cerveau vivant. Ce projet multidisciplinaire rassemble l'expertise de trois équipes complémentaires dirigées par Eirini Papagiakoumou (Partenaire 1, coordinatrice, spécialiste des technologies de mise en forme de la lumière et de microscopie sans balayage), Sylvain Gigan (Partenaire 2, spécialiste de l'imagerie dans les milieux diffusants) et Serge Charpak (Partenaire 3, spécialiste du couplage neurovasculaire).

Les objectifs du projet comprennent le développement de techniques optiques avancées d'excitation à deux photons basées sur des méthodes de mise en forme de la lumière spatio-temporelle pour un ciblage précis des neurones en trois dimensions. Ces stratégies, associées à des algorithmes computationnels, visent à révéler les signaux d'imagerie du potentiel de la membrane des cellules des couches profondes du tissu cérébral avec une résolution cellulaire. L'hypothèse centrale de cette recherche est qu'en intégrant des méthodes optiques de pointe à l'analyse informatique, il est possible d'obtenir un suivi complet de la dynamique neuronale, appliqué à l'étude du couplage neurovasculaire (NVC).

Les éléments clés du projet comprennent l'utilisation de techniques de modulation de phase, telles que l'holographie générée par ordinateur (CGH) et le contraste de phase généralisé (GPC), en conjonction avec la focalisation temporelle pour sculpter des impulsions lumineuses ultra-courtes pour l’excitation bi-photonique efficace d'indicateurs du potentiel membranaire fluorescents. Le partenaire 1 (P1) a démontré la possibilité à détecter les trains de potentiels d’action à haute fréquence et les dépolarisations membranaires sous le seuil en utilisant ces techniques, mettant ainsi les bases de nouvelles avancées.

Le partenaire 2 (P2) apporte son expertise dans les algorithmes de démixage des signaux, en particulier la factorisation de la matrice non-négative (NMF), afin d'améliorer l'extraction des signaux du potentiel membranaire des neurones à partir d'échantillons à forte diffusion. Les efforts de collaboration entre P1 et P2 visent à étendre la profondeur maximale d'imagerie et à améliorer la résolution spatio-temporelle dans les structures cérébrales profondes.

Le partenaire 3 (P3) se concentre sur l'application de ces techniques pour déterminer la vitesse de propagation d'un signal de rétropropagation entre les capillaires et les artérioles, un mécanisme critique dans le NVC, en utilisant des préparations de fenêtres crâniennes chroniques. Les résultats préliminaires indiquent la faisabilité de la détection de la propagation du signal de potentiel membranaire dans les vaisseaux cérébraux exprimant des protéines fluorescentes qui indiquent le changement du potentiel de la membrane, soulignant le potentiel de l'imagerie sans balayage dans l'élucidation de la dynamique neurovasculaire.

En résumé, le projet 2P-VISMA vise à faire progresser notre compréhension des circuits neuronaux et de leur interaction avec les réponses vasculaires dans le cerveau grâce au développement et à l'application de techniques optiques et d'algorithmes computationnels de pointe. En relevant les défis techniques et en tirant parti de l'expertise multidisciplinaire, cette recherche vise à ouvrir la voie à de nouvelles connaissances sur les fonctions cérébrales et les mécanismes pathologiques.