Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017 / L’utilisation de fibres multifonctionnelles pour le transport simultané de la lumière et du courant électrique est une alternative de plus en plus attrayante dans le domaine de l’optogénétique en électrophysiologie où l’excitation lumineuse des cellules nerveuses permet de générer un signal électrique qui peut être enregistré. Ce transport simultané offre l’avantage de pouvoir s’affranchir de la «patch-clamp» pour l’enregistrement électrique, rendant ainsi la méthode plus pratique. La majorité des fibres multifonctionnelles développées dans ce domaine ont de larges diamètres, ce qui ne permet pas de sonder de petits groupes de cellules ou des cellules uniques dont la taille avoisine 10 μm. À cet égard, utiliser une fibre optique avec une géométrie de type «taper» représente une voie prometteuse pour surmonter cette limitation (Fig 1.1). En effet, le cœur optique de l’extrémité d’une fibre «taper» se distingue par son petit diamètre de l’ordre de 10 μm par rapport au reste de la fibre dont le diamètre peut être de 20 à 60 fois plus large afin de faciliter la connexion à la source lumineuse. Dans cette thèse, nous avons développé des verres et des fibres optiques conduisant l’électricité basés sur le système vitreux AgI-AgPO3-WO3. Un large domaine vitreux a été mis en évidence, permettant la préparation de plusieurs verres de compositions différentes. Dans ce système vitreux, le transport du courant est assuré par les ions d’argent via un mécanisme de conduction ionique qui varie en fonction de la température. Par ailleurs, le verre offre une fenêtre de transmission dans le visible et le proche infrarouge dont la largeur est fortement influencée par l’interaction entre l’AgI et l’oxyde de tungstène WO3. En outre, le WO3 permet d’augmenter la durabilité chimique du verre. Ces verres peuvent être transformés aisément en fibre optique présentant des conductivités de l’ordre 10-1 S·cm-1 à température ambiante et à basses fréquences (1 Hz - 10 kHz). Ces fibres offrent une bonne transmission dans le proche infrarouge, mais faible dans le bleu qui est la lumière la plus utilisée en optogénétique. Aussi, des fibres composites à base de polymères avec différentes configurations géométriques ont été développées afin de permettre la transmission de la lumière bleue grâce au couple polycarbonnate/polymethacrylate de méthyl et la conduction électrique grâce au verre AgI-AgPO3-WO3. Enfin, des fibres composites de type «taper» ont été produites et caractérisées pour des applications dans le domaine de l’optogénétique en électrophysiologie. / The use of multifunctional fibers for simultaneous light guiding and electrical transport is an increasingly attractive alternative in the field of optogenetic in electrophysiology where light excitation of nerve cells generates an electrical signal that can be recorded. This simultaneous transport offers the advantage to get rid of the patch-clamp for electrical recording, making the method more practical. The majority of multifunctional fibers developed in this area have large diameters, which does not allow the probing of small group of cells or single cell whose size is around 10 μm. In this regard, using an optical fiber with a taper tipped geometry represents a powerful approach to overcome this limitation (Figure 1.1). The optical core of a taper fiber end is characterized by its small diameter of the order of 10 μm relative to the rest of the fiber whose diameter can be 20 to 60 times larger to facilitate the connection with the light source. In this thesis, we have developed glasses and optical fibers that conduct electricity based on the AgI-AgPO3-WO3 glass system. A large glass domain has been demonstrated, enabling the fabrication of several glasses of different compositions. In this glass system, the electrical transport is ensured by the silver ions via an ionic conduction mechanism that varies with temperature. Moreover, the glass has a transmission window in the visible and the near infrared which is strongly influenced by the interaction between the AgI and tungsten oxide WO3. In addition, the WO3 can increase the chemical durability of the glass. These glasses can be easily stretched in optical fiber with electrical conductivity in the order of 10-1 S· cm-1 at room temperature and low frequencies. These fibers offer high transmission in the near infrared, but low transmission in the blue which is the most used light in optogenetics. To overcome this issue, composite fibers based on polymers with different geometric configurations were developed. The transmission of the blue light is provided by the polycarbonnate/polymethylmethacrylate duo and the electric transport by the AgI-AgPO3-WO3 glass. Finally, the composite fibers were transformed into taper tipped fibers and were characterized for applications the field of optogenetics.

Le système nerveux central (SNC) est composé d'une population hétérogène de neurones. L'étude de leurs propriétés fonctionnelles à l'intérieur du SNC est indispensable afin de parvenir à comprendre leur rôle dans l'intégration du signal à l'intérieur d'un réseau. Pour accéder à ces informations, il est essentiel de pouvoir enregistrer de manière électrophysiologique des cellules identifiées dans le tissu intact. Ce type d'enregistrement ciblé est un défi, spécialement pour les circuits locaux de neurones. Pour prendre pleinement avantage des récentes techniques de marquages fluorescents, l'habilité à enregistrer des cellules individuelles électrophysiologiquement doit être combinée à un système de détection optique. Ce système doit être lui aussi capable de détecter les neurones sur une base individuelle profondément dans le SNC. Cette thèse fait la description d'une nouvelle microsonde optique et électrique basée sur une fibre optique à deux cœurs : un cœur optique permettant d'excitation local de la fluorescence de cellules marquées par un fluorophore et permettant aussi de collecter la fluorescence émise, et un cœur creux remplis d'électrolytes permettant l'enregistrement électrophysiologique unitaire de manière extracellulaire. Cette nouvelle approche permet la production de microsondes ayant suffisamment de résolution spatiale optique pour détecter une cellule unique : la microsonde peut être étirée pour obtenir un diamètre de pointe allant jusqu'à 6 µm, ce qui est plus petit que les corps cellulaires de la plupart des populations neuronales. La thèse présente l'évolution des différents designs de microsonde et du montage expérimental. Pour caractériser les propriétés optiques des sondes, une série d'expériences in vitro (sur des tranches cérébrales de rat) ont été réalisées ainsi qu'une série de simulations numériques. Par la suite, des expériences in vivo (sur le SNC de rat et souris) ont été faites pour identifier et enregistrer des neurones spinothalamique unitaires marqués au DiI ainsi que des neurones cérébraux de souris génétiquement modifiés pour exprimer de la GFP dans leurs cellules GABAergiques. Cette thèse présente aussi un critère spatial optique et électrophysiologique afin de confirmer la co-détection de cellules unitaire. Cette nouvelle microsonde ouvre de larges possibilités pour les enregistrements électrophysiologiques in vivo en donnant accès, en parallèle, aux signaux optiques unicellulaires. / The central nervous system is composed of heterogeneous populations of neurons. Studying their functional properties in the intact central nervous system (CNS) is key to be able to understand their respective role in signal processing within entire networks. To achieve this, it is essential to be able to record electrophysiologically from identified neurons in the intact tissue. Recording from identified cells types in vivo has remained a challenge, especially for local circuit neurons. Novel fluorescent labeling techniques open new possibilities on that front. To take full advantage of these recent developments, the ability to record electrophysiological signals from single neurons must be combined with optical detection of individual cells deep into CNS tissue. Here it describe the development of a novel microprobe based on a dual core optical fiber: an optical core that excites locally fluorescent labeled cells and collects back the fluorescence, and an electrolyte filled hollow core that performs classical extracellular single unit electrophysiological measurements. In contrast to previous solutions, this novel design allows production of microprobes with sufficient optical resolution for single cell detection: the microprobes could be pulled down to tips sizes of 6 µm, which is smaller than the cell body diameter of most neuron populations. It is presented the evolution of the microprobe design and the experimental setup. To characterize the optical properties of the probes, it is showed a series of in vitro experiments and numerical simulations. Then, it is presented in vivo experiment to identify and record single spinal neurons labeled retrogradely with fluorescent dyes as well as single GABAergic interneurons expressing GFP in the brain of transgenic mice. It's also established a spatial criterion to correlate optical and electrophysiological signals, confirming co-detection of single cells. This novel microprobe vastly expands possibilities for in vivo electrophysiological recording by providing parallel access to single cell optical monitoring.