Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

Abstract

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Optogentics is a promising technic for neuronal activity modulation. By inserting a microbial opsin in the plasma membrane and by its photonic activation, it is possible to regulate neuronal activity with high temporal and spatial resolution. A lot of work has been done to characterize and synthetize new opsins. Thus, a wide variety of opsins are now available, presenting different kinetics and sensibility to specific wavelengths. Indeed, different opsins can either increase or decrease neuronal activity such as channelrhodopsin-2 (ChR2) or halorhodopsin (NpHR), respectively. This technology has the potential to stimulate a specific region within the brain in a highly reversible manner. However, little work was accomplished in this way, because to limitations due to absorption and scattering of light in biological tissue. This master’s thesis presents the conception of a side-firing optical fiber, capable of guiding light to specific structures within the brain. We conducted in vivo experiments in the visual system of transgenic mice expressing ChR2 in the entire central nervous system. In the visual system, retinal inputs are relayed to the lateral geniculate nucleus (LGN) before reaching the primary visual cortex (V1). To validate the capacity of the designed optogenetic assembly to stimulate specific sub-populations of neurons, we took advantage of the retinotopic organization existing in the visual system. By optogenetically stimulating the LGN and rotating the optical fiber around its axis with a motor, it is possible to sequentially stimulate different portions of this thalamic structure and consequently, different portions of the visual field. Activation of thalamic projections will be recorded in area V1 using intrinsic optical imaging, a technic allowing to image variations of blood oxygenation and blood volume in neuronal tissue over large cortical areas. Activation at the level of the cortex will reveal the spatial extent of the optogenetic stimulation in the LGN as retinotopic organization is maintained in V1 cortical area. In vivo experiments showed that displacing the optical fiber in the LGN allowed stimulation of different neuronal populations within this thalamic structure. In conclusion, this study demonstrates our capacity to develop a fiber-based system capable of optogenetically stimulating neuronal tissue with high spatial precision.