Observation en profondeur de neurones en action en analysant la lumière diffusée

La fluorescence est l’un des outils les plus courants de l’imagerie biomédicale. En neuroscience, en particulier, c’est un outil essentiel qui peut être utilisé chez les animaux génétiquement modifiés pour surveiller l’activité des neurones : lorsqu’un neurone particulier s’active (émet une impulsion électrique), il peut générer de la fluorescence, permettant ainsi de surveiller l’activité cérébrale en temps réel. Pour de multiples neurones actifs, cela peut entraîner l’imagerie d’une myriade de sources clignotantes. C’est ce qu’on appelle l’imagerie fonctionnelle. Cependant, les tissus neuronaux sont très hétérogènes et donc opaques à la lumière. Un vaste ensemble de techniques non invasives ou invasives de rejet de la lumière diffusée, de sectionnement optique ou d’excitation localisée ont été mises au point, mais l’enregistrement optique non invasif de l’activité à travers une épaisse couche diffusante, au-delà du régime balistique est à ce jour impossible.

La propagation de la lumière à travers un milieu complexe est soumise à de nombreux processus de diffusion, mais même pour la lumière fluorescente, elle peut conserver certaines informations de la source émettrice. Nous montrons ici que les signaux fonctionnels provenant de sources fluorescentes variant dans le temps et situées sous un tissu diffusant peuvent être récupérés efficacement en exploitant des algorithmes de factorisation matricielle pour démêler ces informations à partir de modèles de fluorescence à faible contraste.

Nous avons réalisé une expérience de preuve de principe, en simulant des neurones à l’aide de billes fluorescentes de la même taille que nous pouvons exciter à volonté. En les plaçant sous le crâne -totalement opaque- d’une souris, nous avons montré que nous étions capables de récupérer l’activité temporelle de plusieurs de ces « neurones » (jusqu’à une vingtaine), en démultiplexant leur fluorescence individuelle à partir d’un signal global complètement brouillé. Bien qu’encore à ses débuts, cette technique ouvre une perspective fascinante en neuroscience, celle d’enregistrer et d’étudier l’activité neuronale à une profondeur sans précédent et de manière non invasive.

Références : https://www.nature.com/articles/s41566-020-0612-2

 https://arxiv.org/pdf/1906.02604.pdf

Equipe : Imagerie optique et application aux milieux diffusants et biologiques