Soutenance de thèse de Isabelle RACICOT

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Cortex visuel,Imagerie optique,Macaque,Détecteur courbe,
Keywords
Visual cortex,Optical imaging,Macaque,Curved detector,
Titre de thèse
Exploration fonctionnelle du cortex visuel d'un primate non humain par imagerie optique avancée
Functional exploration of the non human primate's visual cortex by advanced optical imaging
Date
Lundi 19 Décembre 2022 à 14:00
Adresse
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille
Auditorium
Jury
CoDirecteur de these M. Frédéric CHAVANE Institut de Neurosciences de la Timone - CNRS - Aix-Marseille Université
CoDirecteur de these M. Marc FERRARI Laboratoire d'Astrophysique de Marseille - CNRS - Aix-Marseille Université
Examinateur Mme Carole DEUMIE Institut Fresnel
Examinateur M. Dirk JANCKE Ruhr-Universität Bochum
Rapporteur Mme Isabelle FEREZOU Institut NeuroPSI - UMR9197 CNRS Université Paris-Saclay
Rapporteur M. Serge MEIMON Onera

Résumé de la thèse

L'activité cortical peut être mesurée par une variété d'outils dont l'échelle varie entre le neurone unique (microscopique) au cerveau en entier (macroscopic). Il y a habituellement un compromis entre l'échelle et la résolution ; les techniques d'imagerie optique, avec leurs très greande résolution spatio-temporelle et leur large champ de vue, sont les techniques les mieux adaptées pour étudier l'activité du cerveau à l'échelle mesoscopique. Le champ de vue maximal qui peut être atteint avec l'imagerie optique d'aires corticales est néanmoins en pratique limité par la courbure du cerveau, qui entraîne une détérioration de la qualité de l'image loin du centre de l'image. Exploitrer le plein potentiel des techniques d'imagerie corticale optique requiert donc de prendre en compte la courbure du cerveau. Cette thèse a pour objectif d'apporter une solution à ce problème en construisant un instrument d'imagerie optique adapté pour imager le cortex visuel d'un macaque rhesus avec un large champ de vision. Les composantes de l'instrument comprennent un détecteur CMOS courbé, qui, lorsque combiné avec une lentille asphérique, corrige la courbure du cerveau du since macaque. Un anneau de LEDs fait également partie de l'instrument et produit un illumination uniforme sur la surface du cortex dans quatre bandes d'ondes utilisées dans le cadre des techniques d'imagerie optique conventionnelles, incluant l'imagerie des signaux intrinsèques et l'imagerie par colorant sensible au potentiel (voltage-sensitive dye). L'instrument a été construit en plusieurs itérations et, lorsque caractérisé sur un banc optique, a produit une augmentation de la fraction de la région accessible optiquement qui peut être imager en focus, de 28 % (70 mm2) avec le système d'imagerie standard à plus de 100 % (302 mm2) avec le nouvel outil. L'instrument a été utilisé pour obtenir des images in vivo du cortex visual d'un macaque, et a permis d'imager une région beaucoup plus grande du cortex visuel avec une résolution uniforme. Un algorithme développé pour estimer la performance optique de l'instrument à partir d'une seule image contenant des bords nets a permis d'estimer la résolution in vivo. Les résultats indiquent une augmentation d'un facteur 4 de l'uniformité de la résolution dans le champ de vue, suggérant que la courbure est bien corrigées. Un élément addionnel consistant en un faible laser infrarouge et un petit élément de diffraction optique (diffractive optical element) a été ajouté à l'instrument afin de projecter un pattern sur le cortex et ainsi mesurer les distortions de la surface causée par des effets physiologiques tels que la respiration et le battement cardiaque. Ce nouvel instrument, qui est, au mieux de notre connaissaince, le premier usage d'un détecteur courve pour l'imagerie corticale, devrait faciliter l'observation de phénomènes à l'échelle mésoscopique telles que les vagues de propagation corticales au sein et entre les cartes cortiques et qui autrement difficiles à observer à cause des limitations des techniques de mesure actuellement disponibles.

Thesis resume

Cortical activity can be recorded using a variety of tools, ranging in scale from the single neuron (microscopic) to the whole brain (macroscopic). There is usually a trade-off between scale and resolution; optical imaging techniques, with their high spatio-temporal resolution and wide field of view, are the best suited to study brain activity at the mesoscale. The maximum field of view that can be achieved with optical imaging of cortical areas is however in practice limited by the curvature of the brain, which causes the image quality to deteriorate significantly away from the center of the image. Harnessing the full potential of optical cortical imaging techniques therefore requires accounting for the brain curvature. This thesis aims at addressing the issue by building an imaging instrument adapted to optically image at large fields of view the visual cortex of the rhesus macaque. The components of the instrument include a curved CMOS detector, which, combined with an aspherical lens, accounts for the brain curvature of the macaque monkey. The instrument also includes an LED ring that provides uniform illumination on the cortical surface in four wavebands used with the main optical imaging techniques in neuroscience that include optical imaging of intrinsic signals and voltage-sensitive dye imaging. The instrument was built through several iterations and, when characterized on an optical test bench, yielded a significant increase in the fraction of the area optically accessible that could be imaged in focus, from 28 % (70 mm2) with the standard imaging tool to over 100 % (302 mm2) with the new instrument. The instrument was used for in vivo imaging of a macaque visual cortex and made it possible to image a larger area of the visual cortex at a constant resolution. An algorithm developed to estimate the optical performance of an instrument from a single imaging containing sharp edges allowed to estimate the in vivo resolution. The results indicated a 4-fold increase in the evenness of the resolution in the field of view, suggesting that the curvature was well accounted for. An additional element consisting of a weak infrared laser and a small diffractive optical element was added to instrument in order to project a pattern on the cortex and measure the distortions of the surface caused by physiological effects like breathing and the heartbeat. This new instrument, which is to the best of our knowledge the first use of a curved detector for cortical imaging, should facilitate the observation of wide mesoscale phenomena such as dynamic propagating waves within and between cortical maps, which are otherwise difficult to observe due to technical limitations of the currently available recording tools.