Un double microscope/endoscope pour la manipulation par holographie des circuits visuels profonds – 2MEnHoloMD

La vision est le principal sens utilisé par les humains pour guider leur comportement. Toutes les formes de déficience visuelle ont donc un impact négatif majeur sur la vie des sujets affectés. En effet, beaucoup de gens perçoivent la perte de la vue comme l’une des pires maladies qui puisse arriver dans leur vie. Selon des études récentes, plus de 10 millions de personnes sont atteintes de déficience visuelle modérée à grave en Europe, avec un coût total d'au moins 50 milliards d'euros par an. Etudier comment les informations visuelles sont traitées dans la vision est donc primordial, car d'importants avantages sociaux et économiques entrent en jeu.

Dans les voies visuelles chez la souris, qui peuvent servir de modèle moins complexe pour l'étude de la vision, les informations visuelles sont traitées par différentes zones du cerveau, notamment le noyau géniculé latéral dorsal (dLGN) du thalamus et le cortex visuel primaire (V1). En particulier, la double connexion entre le dLGN et les couches profondes de V1, telles que les couches 4 (L4) et 6 (L6), joue un rôle fondamental dans l’élaboration correcte des informations visuelles. Cependant, si on en sait beaucoup sur l'organisation anatomique macroscopique qui forme cette connexion, c'est dans les détails les plus fins de la communication entre neurones que la perception est générée. Une compréhension plus approfondie des circuits visuels reliant dLGN et V1 nécessite une étude précise, avec une résolution cellulaire, des deux zones cérébrales simultanément, ce qui est aujourd'hui expérimentalement hors de portée.

Les techniques optiques pourraient fournir un tel niveau de précision mais présentent deux limites principales. (i) Elles ne permettent pas d’imager au-delà d’une profondeur de quelques centaines de µm dans tissu biologique, alors que chez la souris le dLGN est situé à une profondeur de ~ 3 mm, L4 à environ 400 µm et L6 à> 600 µm. (ii) L'étude de vastes zones séparées de quelques millimètres dans le cerveau de souris, nécessaire pour l’étude simultanée de V1 et dLGN, tout en maintenant la résolution spatiale d'une seule cellule, est actuellement hors de portée.

Dans le cadre de ce projet, nous allons surmonter ces limitations en développant un nouveau système optique capable de lire et de contrôler l'activité de centaines de neurones simultanément dans la même structure (au sein du dLGN ou d’une même couche de V1) et à travers différentes régions du cerveau interconnectées (dLGN à L4; à travers différentes couches de V1; L6 à dLGN) avec une haute résolution spatiale. Pour cela, nous étendrons les techniques optiques que le coordinateur scientifique et le groupe Emiliani maîtrisent déjà pleinement (telles que la microscopie holographique) à la micro-endoscopie et la microscopie des tissus profonds, pour étudier des structures cérébrales profondes.

Le projet est organisé en 3 phases pour maximiser son impact: (1) le développement d'un micro-endoscope optique peu invasif pour imager et manipuler des neurones spécifiques dans le dLGN chez la souris; (2) le développement parallèle d'un microscope à deux photons optimisé pour imager et manipuler des neurones dans des couches corticales profondes, telles que L4 et L6; (3) une phase finale au cours de laquelle nous allons coupler les deux techniques précédentes pour obtenir un accès simultané au dLGN et à V1.

La recherche proposée contribuera à clarifier le fonctionnement de la vision et des circuits cérébraux en général, en donnant un accès précis à des régions auparavant inaccessibles. Avec la configuration combinée de la phase (3), nous aurons pour la première fois la possibilité d’étudier, avec une précision à l’échelle d’un neurone unique, les grands circuits cérébraux qui se développent dans différentes zones du cerveau. Le projet actuel devrait donc avoir un impact positif considérable en neuroscience, en neuro-photonique et en microscopie en général.