Détermination tout-optique de la connectivité neuronale in vivo – OptoConnectics

L'un des principaux défis des neurosciences modernes est de déterminer comment la connectivité synaptique au sein des réseaux neuronaux façonne leurs fonctions, une étape critique dans la rétro-ingénierie des fonctions cérébrales de base et complexes. Cependant, les méthodes actuelles d'évaluation de la connectivité sont limitées. Les approches existantes s'appuient soit sur des modèles statistiques dépourvus de validation expérimentale, soit sur des enregistrements électrophysiologiques unicellulaires à faible débit réalisés in vivo ou ex vivo. La solution à ce défi fondamental réside dans l'acquisition entièrement optique de signaux d’origine électrophysiologique in vivo - une approche puissante combinant l'enregistrement optique du potentiel membranaire à l’échelle des neurones individuels doublé d’une stimulation optogénétique précise également à l’échelle cellulaire. Cette méthode tout optique permet de mesurer directement les poids synaptiques entre les neurones chez des animaux éveillés pendant plusieurs jours donc chronique, offrant ainsi des opportunités sans précédent pour les études longitudinales de connectivité. Cependant, malgré son grand potentiel, la faisabilité de cette approche n'a pas encore été prouvée. Dans ce projet, quatre équipes d'experts en imagerie fonctionnelle in vivo utiliseront un nouveau microscope à deux photons basé sur des déflecteurs acousto-optiques (AOD), issu des travaux de recherche de l’une des équipes et disséminé par une startup française, pour établir cette preuve de concept. Nous effectuerons des mesures de connectivité dans des neurones définis fonctionnellement et génétiquement in vivo, à travers différents types de cellules et échelles spatiales, à la fois chez la souris et le poisson zèbre, en tirant parti des deux modes de fonctionnement du microscope, ULoVE et 3D-CASH, adressant les neurones respectivement en 2D et en 3D. Bien que nous ayons déjà des preuves d'enregistrements stables du potentiel de membrane en utilisant la technique ULoVE pour les neurones exprimant la sonde de voltage génétiquement encodée JEDI-2P, nous optimiserons la combinaison d'opsines, d'indicateurs de voltage et de techniques de stimulation basées sur la microscopie à deux photons AOD pour améliorer la sensibilité au potentiel de membrane sous le seuil de décharge, réduire les interférences pendant l'enregistrement optique du voltage et assurer une grande précision temporelle. Nous affinerons les paramètres d'utilisation des approches ULoVE et 3D-CASH afin d'élargir l'étude de la connectivité synaptique. Nous validerons notre méthodologie à deux échelles différentes. Au niveau du circuit local, nous sonderons la connectivité au sein de circuits neuronaux fonctionnellement définis chez la souris et étudierons les règles de connectivité unisensorielle et multisensorielle dans les réseaux neuronaux des cortex visuel et auditif. Au niveau du cerveau entier, nous utiliserons le modèle du poisson zèbre pour estimer la connectivité à l'échelle du cerveau, en cartographiant les interactions entre des centaines de régions cérébrales, chacune contenant des centaines de neurones, et nous étudierons comment la connectivité à l’échelle mésoscopique définit l'activité cérébrale spontanée. Ce projet démontrera l'importance de cette méthodologie révolutionnaire à haut débit pour la cartographie de la connectivité neuronale chez les animaux éveillés.