L'objectif premier de ce projet de maîtrise consiste à développer un nouveau microscope confocal multimodal rapide adapté à l'imagerie fonctionnelle des cellules neuronales. Un microscope a été dessiné, construit et testé au Centre de Recherche Université Laval - Robert-Giffard (CRULRG) à Québec. Ce mémoire présente les différents aspects du développement du microscope (design optique et électronique) ainsi que les résultats des tests d'imagerie effectués sur des neurones en culture. Selon le marqueur chimique ainsi que la modalité de microscopie utilisée, nous avons observé une corrélation entre les variations du signal optique et du potentiel transmembranaire ou de l'activité calciques des neurones. Cet outil ouvre la porte à de nouvelles experiences en permettant l'observation de l'activité neuronale dans un grand volume et de facon non-invasive, contrairement à la technique actuelle appelée 'patch-clamp'. / The main goal of this master's project is to develop a novel video rate multimodal laser scanning microscope specifically designed to perform functional imaging of neuronal cells. A microscope was designed, built and tested at the Centre de Recherche Universite Laval - Robert Giffard (CRULRG) in Quebec City. This thesis summarizes the system implementation choices we made (optical design, electronics) in order to achieve our imaging goals. Results showing the correlation between the optical signal variations and the cell transmembrane potential or calcic activity changes are presented. This tool opens the door to new experiments, allowing for non-invasive observations of cell activity over a large volume thus overcoming important limitations of the established 'patch-clamp' technique.

Un des enjeux majeurs de la biochimie et de la biologie cellulaire actuelle est de pouvoir suivre de manière dynamique les événements moléculaires à l'intérieur de la cellule vivante dans son contexte fonctionnel, c'est-à-dire in situ (dans son tissu d'origine). Il ne suffit plus, par exemple, d'identifier une réaction biochimique in vitro pour pouvoir savoir si un enzyme ou un autre rencontrera son substrat à l'intérieur de la cellule. Il apparaît de plus en plus évident que des facteurs spatio-temporels très fins à l'intérieur de la cellule vivante déterminent en grande partie la spécificité des signaux cellulaires. Il suffit de penser aux fluctuations calciques intracellulaires, par exemple, qui participent à une multitude de cascades de signalisation; sans spécificité spatiale et temporelle, la cellule ne pourrait utiliser les signaux calciques de manière utile et efficace. A cette fin, on propose un système de microscopie laser qui incorpore un axicon, lequel a la propriété de focaliser la lumière en un faisceau quasi-Bessel. Le contrôle du profil du faisceau incident sur l'axicon procure une ligne focale sur l'axe longitudinal ayant une intensité constante dans le milieu absorbant ainsi qu'une grande résolution transverse. Conséquemment, nous devons balayer notre échantillon en deux dimensions seulement pour obtenir une image complète de tout le volume, réduisant ainsi considérablement le temps d'acquisition. Nous présenterons les résultats théoriques de la génération d'un faisceau quasi-Bessel dans un échantillon absorbant, les caractéristiques du laser Ti:saphir utilisé ainsi que le schéma proposé pour la microscopie laser avec un axicon. Nous verrons qu'il est possible d'imager des échantillons fluorescents allant jusqu'à 1 mm d'épaisseur avec un seul balayage. Dans cette thèse, nous passerons en revue quelques principes qui sont à la base des avantages de la microscopie par excitation à deux photons afin de mettre en relief certains des défis (résolution spatiale, résolution temporelle, sensibilité, profondeur de pénétration dans le tissu et phototoxicité) pour améliorer l'utilisation de cette approche pour l'imagerie cellulaire fonctionnelle. Les propriétés des faisceaux de Bessel formés par l'axicon seront étudiées en profondeur. Nous décrirons ensuite notre microscope à deux photons avec un axicon et nous présenterons plusieurs résultats obtenus avec ce dernier.

Un des plus grands défis de la neuroscience moderne pour parvenir à comprendre et diagnostiquer les maladies du cerveau est de déchiffrer les détails des interactions neuronales dans le cerveau vivant. Pour ce faire, on doit être capable d'observer des populations de cellules vivantes dans leur matrice d'origine avec une bonne résolution spatiale et temporelle. La microscopie à deux photons se prête bien à cet exercice car elle permet d'exciter des fluorophores à de grandes profondeurs dans les tissus biologiques et elle offre une résolution spatiale de l'ordre du micron. Malheureusement, la très bonne résolution tridimensionnelle diminue la résolution temporelle, car l'effet de sectionnement optique causé par la faible profondeur de champ du microscope nous oblige à balayer les échantillons épais une multitude de fois avant de pouvoir compléter l'acquisition d'un grand volume. Dans ce projet de doctorat, nous avons conçu, construit et caractérisé un microscope à deux photons avec une profondeur de champ étendue afin de faciliter l'imagerie fonctionnelle de neurones dans un échantillon épais. Pour augmenter la profondeur de champ du microscope à deux photons, nous avons modifié le faisceau laser entrant dans le système optique afin de générer une aiguille de lumière, orientée axialement, dans l'échantillon au lieu d'un point. Nous modifions le faisceau laser avec un axicon, une lentille en forme de cône qui transforme le faisceau gaussien en un faisceau quasi non-diffractant, de type Bessel-Gauss. Le faisceau d'excitation conserve donc la même résolution transverse à différentes profondeurs dans l'échantillon, éliminant le besoin de balayer l'échantillon à répétition afin de sonder un volume complet. Dans cette thèse, nous démontrons que le microscope à grande profondeur de champ fonctionne effectivement tel que nous l'avons conçu et nous l'utilisons pour faire de l'imagerie calcique dans un réseau tridimensionnel de neurones vivants. Nous présentons aussi les différents avantages de notre système par rapport à la microscopie à deux photons conventionnelle. / One of the greatest challenges of modern neuroscience that will lead to a better understanding and earlier diagnostics of brain sickness is to decipher the details of neuronal interactions in the living brain. To achieve this goal, we must be capable of observing populations of living cells in their original matrix with a good resolution, both spatial and temporal. Two-photon microscopy offers the right tools for this since it presents with a spatial resolution in the order of the micron. Unfortunately, this very good three-dimensional resolution lowers the temporal resolution because the optical sectioning caused by the microscope's small depth of field forces us to scan thick samples repeatedly when acquiring data from a large volume. In this doctoral project, we have designed, built and characterized a two-photon microscope with an extended depth of field with the goal of simplifying the functional imaging of neurons in thick samples. To increase the laser scanning microscope's depth of field, we shaped the laser beam entering the optical system in such a way that a needle of light is generated inside the sample instead of a spot. We modify the laser beam with an axicon, a cone-shaped lens that transforms a gaussian beam into a quasi non-diffractive beam called Bessel-Gauss beam. The excitation beam therefore maintains the same transverse resolution at different depths inside the sample, eliminating the need for many scans in order to probe the entire volume of interest. In this thesis, we demonstrate that the extended depth of field microscope effectively works as we designed it, and we use it to image calcium dynamics in a three-dimensional network of live neurons. We also present the different advantages of our system in comparison with standard two-photon microscopy.

Dû à l'échelle des structures et des comportements observés, les neurosciences et la microscopie ont toujours été intimement liées. Que ce soit pour observer les différentes morphologies cellulaires en lumière blanche transmise, ou pour suivre des dynamiques complexes grâce à des sondes fluorescentes, la lumière est l'outil de choix pour étudier le cerveau et sa composition. Plus particulièrement, la lumière possède la bonne résolution spatiale et temporelle pour sonder autant localement que globalement toutes les échelles de l'activité neuronale. De plus, les techniques de mesure utilisant la lumière sont généralement peu invasives. Cette thèse de doctorat montre trois techniques d'imagerie de fluorescence, développées pour des échelles d'organisation distinctes. Le but de la thèse est de fournir de nouveaux outils technologiques visant à repousser les limites des questions biologiques aujourd'hui disponibles aux neuroscientifiques. Afin de pouvoir sonder efficacement les mécanismes internes aux petites structures comme les épines dendritiques et les dendrites, nous avons développé un protocole de marquage unicellulaire du fluorophore sensible au potentiel ANNINE-6plus. La méthode se base sur le chargement intracellulaire de la sonde fluorescente dans des échantillons autant en cultures cellulaires dissociées, qu'en préparations de tranches aigues et organotypiques. Le deuxième projet adresse les défis liés à l'imagerie rapide de l'activité de réseaux. Typiquement, il y a un choix à faire entre la résolution temporelle et la surface d'imagerie. Ce choix vient du fait que les techniques d'imagerie rapides sont habituellement à champs larges et ne fournissent pas de sectionnement optique, ce qui rend leur utilisation dans des échantillons épais difficile. En couplant une technique à champ large multiphotonique, la focalisation temporelle, avec l'illumination structurée ainsi qu'un laser amplifié, nous avons développé un système à champ large doté d'un sectionnement optique en-deçà de 10 um. Le troisième chapitre décrit le développement de deux logiciels distribués avec un produit commercialisé par Doric Lenses Inc., soit un microscope miniature implantable pour l'imagerie de structures profondes du cerveau pour des animaux se déplaçant librement. Les logiciels permettent le traitement des images en temps réel et à posteriori. Ce produit offre finalement un lien entre l'activité neuronale locale, et les comportements animaux observés. / Due to the scale of the observed structures and behaviours, neurosciences and microscopy have always been intertwined. Whether it is to observe the different cell morphologies in transmitted white light, or to follow complex dynamics using fluorescent probes, light is the tool of choice to study the brain and its composition. Specifically, the light has the proper spatial and temporal resolution to probe both locally and globally all levels of neuronal activity, while remaining minimally invasive. This thesis shows three techniques developed for different scales, in order to push the limits of the currently addressable biological questions by neuroscientists. In order to effectively probe the internal mechanisms for small structures like dendritic spines and dendrites, we have created a single-cell labeling protocol of the voltage-sensitive fluorophore ANNINE-6plus. The method is based on the intracellular loading of the fluorescent probe in samples both in dissociated cell cultures, than in preparations of acute and organotypic slices. The second project addresses the challenges of rapid imaging of the cellular network activity. Typically, there is a choice between the temporal resolution and the imaging surface. This choice is that the fast imaging techniques are usually widefield and do not provide optical sectioning, making their use in thick samples difficult. By combining a widefield multiphoton technique, the temporal focusing, with the structured illumination and an amplified laser, we have developed a widefield system with an optical sectioning below 10um. The third chapter describes the development of two software distributed with a product created by Doric Lenses Inc., an implantable miniature microscope for imaging of deep brain structures of freely moving animals. This product finally provides a link between the local neuronal activity, and the observed animal behaviours.