INOVAO — Microscopie à optique adaptative in-vivo pour la neuroscience

La compréhension des fonctions neuronales est d'une importance capitale dans la compréhension des mécanismes impliqués dans diverses pathologies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaque ou l'épilepsie. Cette compréhension représente encore aujourd'hui un défi, le cerveau étant un système biologique complexe et dynamique contenant un très grand nombre de neurones. Pour déchiffrer leur organisation fonctionnelle, il est nécessaire d’enregistrer l’activité d'un vaste réseau de neurones, de manière non invasive, à haute résolution spatiale et temporelle. Les techniques d'imagerie optique combinées aux outils génétiques tendent actuellement à rendre cette étude possible, grâce aux récents progrès réalisés en parallèle en biochimie et en microscopie, comme le développement de protéines photo-activables et de techniques d'imagerie morphologique et fonctionnelle sur modèles animaux, comme la souris et la mouche (drosophile). La microscopie de fluorescence à deux photons et la microscopie à feuille de lumière sont ainsi particulièrement adaptées à l'imagerie du cerveau, offrant une excellente résolution spatiale (<1µm) et une grande sensibilité, sur de larges champs d'observation (400x400µm) et en profondeur dans les tissus (quelques centaines de micromètres). Elles permettent ainsi d'enregistrer la distribution spatiale et l'activité temporelle de protéines d'intérêt marquées. Malgré les nombreuses et récentes publications démontrant d’impressionnants résultats, ces techniques d'imagerie restent limitées par : - les faibles variations de fluorescence induites par l'activité neuronale (typiquement 5 à 10% de fluctuation relative) - la profondeur d'imagerie encore limitée (quelques centaines de microns) - la résolution spatiale dégradée en profondeur, qui ne permet pas une étude des signaux fonctionnels à l'échelle du neurone individuel. Une des raisons majeures de la perte de signal, en particulier en profondeur, dans les tissus, est la présence d’aberrations optiques dues aux inhomogénéités des propriétés optiques du tissu, déformant la phase de l'onde lumineuse ou front d'onde. Ces dernières années, l'optique adaptative a démontré qu'en mesurant puis corrigeant le front d'onde - typiquement grâce à un miroir déformable - il est possible d’améliorer significativement le signal, la résolution et la profondeur d'imagerie en microscopie. Le projet INOVAO se propose de : - développer une approche innovante d'optique adaptative pour la microscopie à sectionnement optique, basée sur une mesure directe du front d'onde par un nouvel analyseur de front d'onde. Cette approche permettra d’agrandir la taille du champ corrigé, typiquement d’un facteur 3. - développer 2 démonstrateurs de microscopes de fluorescence, à deux photons et à feuille de lumière, couplés à ce nouveau concept d'optique adaptative, et offrant une amélioration significative des performances d'imagerie de fluorescence des tissus neuronaux, en termes de champ, de contraste et de résolution. - valider cette nouvelle approche d'optique adaptative et de quantifier son apport par des expériences d'imagerie fonctionnelle du cerveau in vivo chez la souris et la drosophile, à l’échelle de la cellule et sur des champs corrigés étendus. La réalisation de ces instruments originaux constituera la première étape du développement de nouveaux produits commerciaux.