Imagerie Optique - Master Physique
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Imagerie Optique imagerie fonctionnelle extrinsèque et intrinsèque du cortex cerebral Ivo VANZETTA (Equipe DyVA, INCM-CNRS UMR 6193, Université de la Méditerranée, Marseille) Prémisse Sensory input Information processing Eye Movements (OFR) Visual Stimulus m 2m Single (few) neurons: Micro-electrodes Behavioral output 1 Cortical Column: ~10 5 neurons ! FUNCTIONAL BRAIN IMAGING Neuronal Population activity: - directly (VSDI) Optical Imaging fMRI - indirectly metabolic signals (OIIS, fMRI) 100µm 1mm 1cm Prémisse (“verbose”) L’ élaboration de l’information par les cerveau (« un ensemble de réseaux neuronaux ») repose sur de l’activité électrique: des changements de l’êtat de polarisation de la membrane cellulaire, du à des flux ioniques (canaux ioniques membranaires). Ces flux ioniques reposent sur des processus physiologiques, notamment métaboliques. Les différents changements physiques qui en résultent peuvent être mis en évidence par voie optique, résultants en signaux lumineux liées à la fonction/fonctionnalité de la structure examinée. Techniques - imagerie neuronale directe et indirecte : fluorescence voltage-sensitive, imagerie métabolique/hémodynamique. Les différents signaux optiques donnent accès à des informations différents. Applications: imagerie fonctionnelle et biomédicale: cortex et oeil. « Activité neuronale » Activité neuronale: plusieurs aspects Changement du potential de membrane Potentials d’Action Liberation et (re-)absorption des neuro-transmetteurs Re-establissement des equilibres ioniques, pompes… Changement de la concentration intracellulaire de Ca++ Correspondent à différents aspects d’élaboration de l’ information: Input, output, « local processing », modulation… COMMENT PEUT-ON LES VISUALISER? Imagerie “directe” de l’activité neuronale par voie optique VSD: Traducteurs electro-optiques Probes fluorescentes extrinsèques, qui, insérés dans la membrane cellulaire, permettent de traduire, en temps réel, les changements du potentiel de membrane dans des changements de fluorescence (Effet Stark). Relation linéaire: ΔF = kΔΕ. Cohen, Grinvald, Blasdel, Hildesheim, Orbach, Salzberg, Waggoner… Slovin et al., 2002 The setup (1) Modified from Ts’o D et al., 1990. The setup (1) Modified from Ts’o D et al., 1990. The setup (2) The preparation (fluorescent imaging) The preparation (fluorescent imaging) VSDI: changements du potentiel de membrane VSDI « classique » permets d’obtenir, en temps réel, de l’information spatio-temporelle sur les changements de potentiel de membrane de grands populations de neurones. Du à la courte durée du potentiel d’action et la petite surface axonale, le signal VSD resulte prioritairement de changements du potential de membrane à niveau dendritique. Contreras & Llinas, J. Neurosci, 2001. VSDI examples: retinotopie (localisation) Anatomy Slovin et al, JNP 2002 VSDI examples: retinotopie (localisation) Anatomy Slovin et al, JNP 2002 VSDI - examples: orientation (forme) Stimulation avec 4 barres (raiseaux) orientées differemment Sharon et al, Science 2002 VSDI - examples: orientation (forme) Possibilitée de combiner les questions fonctionnels... orientation (all) orientation and retinotopy VSDI - examples: orientation & retinotopie Problèmes en VSDI Basse résolution spatiale du à la forte diffusion du milieu cortical (σ ∼100−200µm). Introduction de fausses corrélations entre locations corticales distantes moins de ~200µm. Absence de résolution en profondeur. surface 0.9mm 2σ Solution: VSDI à 2 photons VSDI à 2 photons permets de: 1) Réduire drastiquement le cross-talk spatial (<16µm) 2) Enregistrer de profondeurs corticaux différents 3) Mettre en évidence la structure 3D de l’activité neuronale Kuhn, Denk, Bruno: PNAS 2008 anesthesié eveillé Imagerie “indirecte” de l’activité neuronale par voie optique A: Calcium (1 & 2 -photon) Contrairement à l’ VSDI, l’imagerie calcique permets de traduire en signaux optiques les potentiels d’action. Smatters, Mayevska & Yuste, Methods, 1999; A: Calcium (1 & 2 -photon) Ultra-haute résolution spatiale (single cellule): activité de spiking (transition entre deux populations sensibles à deux orientations différentes Smatters, Mayevska & Yuste, Methods, 1999; B: Fluorescence intrinsèque Husson et al., 2007 Flavoproteines: molecules auto-fluorescentes partecipantes à la chaine de transport electronique dans les mytochondria. Potentiellement, une résolution meilleure que les signaux hémodynamiques (ne dependent pas du reseau vasculaire) Excellentes images fonctionnelles chez le rongeur et chat anesthésiés: MAIS: encore à reproduire chez le singe vigile… C: Signaux Intrinsèques hemodynamiques L’activité neuronale augmente localement les besoins métaboliques des neurones activées et de la glia atours. A travers des mécanismes plus ou moins complexes, ça change: (i) l’oxygénation sanguine, (ii) le débit sanguin (iii) le volume sanguin. Ces variables interagissent de façon complexe. Ce couplage neuro-vasculaire est à la base des méthodes d’imagerie fonctionnelle « hémodynamiques »: (PET, IRMf, OIS) Optical Imaging of intrinsic signals and fMRI BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) fMRI •Underlying physical principle: Magnetic properties of deoxyhemoglobin Functional map BOLD signal •Advantage: high spatial resolution (~50µm) •Disadvantage: invasive technique: Behaving monkeys 1mm •Advantage: non-invasive technique: Human imaging •Controversy: existence and interpretation of the « negative BOLD » Optical Imaging of intrinsic signals Optical Imaging signal Functional map •Disadvantage: low spatial resolution (~2mm) 5cm •Underlying physical principle: Light-absorption properties of hemoglobin: blood-volume, oxy-, deoxy-hemoglobin.
