Ce travail se situe dans le cadre d'un projet pluridisciplinaire visant à développer une prothèse visuelle. La technique la plus utilisée actuellement dans de nombreux types de neuroprothèses est basée sur l'excitation par voie électrique via des électrdes. Les inconvénients d'une telle technique (très invasive, de faible résolution spatiale et par contact) pourraient être surmontés en utilisant une stimulation par laser infra-rouge. Nous présentons dans un premier temps les caractéristiques des trois diodes lasers fibrés émettant à 1875 nm, 1535 nm et 1470 nm pour des gammes de puissances optiques de quelques centaines de mW qui ont été utilisés et intégrés à deux dispositifs de mesures permettant l'observations de variations d'échanges ioniques transmembranaires (imagerie de fluorescence des ions calciums et mesure électrophysiologique par la technique de patch clamp). Nous montrons ensuite que des réponses biologiques ont été obtenues par les trois lasers, non seulement sur des cellules ganglionnaires de la rétine et du vestibule de culture mais aussi sur des tranches de rétine. L'influence des paramètres clés comme la longueur d'onde, la durée de stimulation, les seuils d'énergie a été étudié, et a permis d'établir que les seuils d'énergie de stimulation dépendent de la valeur du coefficient d'absorption de l'eau qui varie suivant la longueur d'onde utilisée. Enfin, une étude est consacrée pour expliquer les mécanismes physiques et biologiques apparaissant au cours de l'interaction du laser avec le neurone au niveau cellulaire. Des simulations numériques quantifiant l'élévation de température associées à des tests pharmacologiques cherchant à déterminer la nature des canaux ioniques spécifiques mis en jeu suggèrent la prédominance d'un effet thermique. / This work is part of a pluridisciplinary project, aiming at developing a visual prosthesis. The most used technique for this kind of neuroprosthesis is based on the electrical stimulation of nerves by electrodes. Drawbacks of such a technique (very intrusive, low spatial resolution and physical contact) could be overcome by the use of an infra red laser based stimulation. We present first the three fibre pigtailed laser diode characteristics emitting few hundred of mW at 1875 nm, 1535 nm and 1470 nm. These lasers have been integrated on two measurement devices (a fluorescence microscope and a microscope using patch clamp recording), for the observation of ionic membrane exchanges. Our results show that action potentials have been obtained by laser stimulation from the three lasers, both on retinal or vestibular ganglion cells from mass cultures and on retinal slices. The effect of key parameters as the wavelength, the stimulation time, the energy thresholds has been studied and show that the energy thresholds clearly depend on the absorption coefficient of water which varies with the wavelength. Finally, we present the results of a preliminary study aiming at determining the biophysical interaction mechanisms at cell level. Numerical simulations giving the local increase of temperature and tests of specific blocking molecules in order to know the exact nature of the ionic channels involved suggest a predominant thermal mechanism.

Les processus de plasticité cérébrale consécutifs à un déficit visuel survenu tardivement sont encore peu connus. En comprendre les mécanismes est pourtant essentiel à l'optimisation de méthodes de rééducation des sujets atteints, au développement de dispositifs visant à substituer l'information normalement apportée par la modalité déficiente, par celle d'une autre modalité sensorielle, et à la conception de systèmes permettant de restaurer une certaine fonction visuelle. Afin d'étudier ces processus, nous avons choisi d'une part, d'analyser la connectivité fonctionnelle du cerveau à l'état de repos par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et d'autre part de les explorer par une approche comportementale. Les sujets étudiés avaient soit sélectivement perdu (1) la périphérie du champ visuel, à la suite d'une rétinopathie pigmentaire au stade de " vision tunnellaire ", ou (2) le centre du champ visuel, c'est-à-dire souffrant d'un scotome central des suites d'une dégénérescence maculaire de Stargardt soit (3) l'intégralité du champ visuel, au stade terminal d'une rétinopathie pigmentaire et (4) étaient éventuellement porteurs d'un système de prothèse rétinienne. (A) Études de la connectivité fonctionnelle par IRMf de repos Étude 1. Chez des sujets tardivement atteints dans la périphérie ou dans la totalité du champ visuel, nous avons étudié la connectivité fonctionnelle de l'aire de Broca et des aires visuelles. Comparée à celle des sujets sains, la connectivité fonctionnelle de ces patients est accrue entre l’aire de Broca et, dans V1, les parties privées d’afférences visuelles. Ainsi, à la suite d’une privation visuelle totale ou sectorielle, un processus plastique entre les systèmes de la vision et du langage peut se produire chez l’adulte, au-delà donc de la période sensible du développement. Ces données apportent aussi une contribution au débat sur la possibilité d’une telle plasticité chez le sujet devenu tardivement aveugle. Elles permettent, par ailleurs, de définir les conditions qui accompagnent la plasticité des systèmes de la vision et du langage, c’est-à-dire d’une part le confinement de son développement au niveau des régions visuelles désafférentées et d’autre part la possibilité de son développement alors qu’une partie de la vision est encore fonctionnelle. Étude 2. Chez des sujets présentant des atteintes du champ visuel périphérique ou central, nous avons analysé la connectivité fonctionnelle des parties de V1 où se projettent respectivement le champ visuel central (V1 centrale) et le champ visuel périphérique (V1 périphérique) avec les autres régions du cerveau. Comparée à celle des sujets sains, nous avons observé une augmentation de la connectivité fonctionnelle entre (1) la région afférentée des sujets avec vision tunnellaire (V1 centrale) et des régions impliquées dans le traitement des scènes, de l’espace et de l’intégration multisensorielle, et (2) la région afférentée des sujets avec scotome central (V1 périphérique) et des régions notamment impliquées dans la perception des visages. Quant aux régions désafférentées (V1 périphérique pour les sujets avec vision tunnellaire et V1 centrale pour les sujets avec scotome central), nous leur avons trouvé une connectivité fonctionnelle accrue avec des régions impliquées dans des fonctions supérieures et des mécanismes top-down. Il apparaît que les régions encore afférentées de V1 renforcent leurs connexions avec des régions cérébrales dont les fonctions sont altérées par la désafférentation de l’autre partie de V1, alors que les régions visuelles désafférentées modulent des mécanismes de haut-niveau, préexistants, dans la probable intention de soutenir la vision résiduelle de ces sujets. Ces données apportent des informations nouvelles sur l’adaptation plastique des régions de V1 au traitement de diverses fonctions, suite à la perte d’un secteur périmétrique. / Cerebral plasticity processes developing from late visual deficit are not fully understood. Insights into these mechanisms could improve the rehabilitation programs, provide the patients with new sensory substitution devices, and even predict the outcome of some vision restoration treatments. A variety of combined approaches should allow to better define these mechanisms. On the one hand, we investigated the functional connectivity (FC) of the brain by a resting-state fMRI analysis, and on the other hand we carried out a behavioral study. The selected subjects (1) had lost the peripheral visual field due to a pigmentary retinopathy and therefore holding a “tunnel vision”, (2) had lost the central visual field i.e. subjects suffering from central scotoma resulting from a Stargardt macular dystrophy, (3) became lately blind, as the result of pigmentary retinopathy terminal stage and (4) potentially visually-restored by a retinal prosthesis.(A) Resting-state functional connectivity studiesStudy 1. In subjects suffering from peripheral or complete visual loss, we studied the FC of visual and language areas. We found an increased FC in Broca’s and specific visually deprived areas in both groups of patients as compared to sighted controls. Therefore, the plasticity between the visual and language systems can develop in the adult brain i.e. long after the end of a developmental sensitive period, following not only total but also partial visual deprivation. These data also contribute to the debate about the development of such plasticity in the late blind. Furthermore, they reshape the conditions of vision and language systems plasticity, which is (1) constrained to visually deafferented regions and (2) possible even in presence of a residual vision.Study 2. In subjects with converse central or peripheral visual field defects, we studied the FC of V1 subregions – onto which the central visual field (cV1) and the peripheral visual field (pV1) are projected, with the rest of the brain. The results showed an increased FC of (1) tunnel vision subjects afferented region (cV1) with regions involved in space, scene processing and multisensory integration and (2) central scotoma subjects afferented region (pV1) with regions involved in face perception. Moreover, an increased FC was observed between deafferented regions and regions involved in high-order functions and top-down mechanisms. These findings suggest that the afferented regions of V1 strengthen the connections with regions involved in deficient visual functions, whereas the sensory-deafferented V1 tunes-up preexisting high-order mechanisms to assist vision. These data bring new information about the plasticity in sub-regions of V1 that develops to process various functions, following partial visual loss.(B) Behavioural study of blind subjects fitted with a retinal prosthesis Study 3. We finally examined the adaptive behavior of subjects suffering from pigmentary retinopathy fitted with a camera-connected retinal prosthesis for 4 years. Such a device can potentially lead to dissociation between eyes and head-mounted camera; this is incompatible with physiological mechanisms of the spatial localization of visualized images, which depend on the gaze direction. This kind of dissociation is expected to alter the visuomotor coordination in subjects fitted with the considered retinal prosthesis device. We observed that misalignments between gaze and head (i.e. camera) positions occur during visual search, and could not be prevented when following vestibulo-ocular reflexes. This misalignment leads to the illusion of a visual target movement, and affects the visuo-motor coordination that was quantified in this study. After 4 years of current use of their device, the subjects develop compensatory strategies that partially solve these issues.

L’objectif de cette thèse est la validation fonctionnelle d’implants rétiniens pour la restauration fonctionnelle de la vision chez des patients non voyants suite à la perte de leurs photorécepteurs. Ce travail a été réalisé sur modèle animal et a évalué expérimentalement de nouveaux protocoles de stimulation. Tout d’abord nous avons utilisé la technique de spectroscopie d’impédance pour simuler mathématiquement l’interface tissu-implantafin de caractériser la présence d’un espace entre le tissu et l’implant. La seconde partie compare par imagerie optique (IO) les caractéristiques de la réponse corticale évoquée par stimulation visuelle ou électrique de la rétine par prothèse sous rétinienne. Nous avons retrouvé que la taille de l’activation par l’implant rétinien est beaucoup plus grande que son correspondant visuel. Dans une troisième partie, est réalisée une évaluation in vitro de la performance des stimulations sur rétine isolée pour définir comment les cellules ganglionnaires réagissent à différents modes de stimulations. Ce travail a permis d’établir la courbe des réponses en fonction de l’intensité des stimulations électriques. Enfin, la thèse décrit un modèle animal de dégénérescence rétinienne qui présente des désorganisations de la rétine externe. Une analyse en IO a été réalisée sur ce modèle afin d’évaluer la réponse corticale aux stimuli visuels et électriques. Ce travail de thèse, par des approches physiques et physiologiques complémentaires, apporte un certain nombre de réponses qui devraient permettre d’améliorer l’utilisation de futures prothèses rétiniennes par une adaptation physique des matrices d’électrodes ou des patrons de stimulations utilisées / The aim of this thesis is the functional validation of retinal implants used for vision restoration in blind patients due to the loss of photoreceptors. This work was designed to develop an animal model to experimentally validate prototypes of new implants and new stimulation protocols pattern. Firstly we used the technique of impedance spectroscopy to simulate mathematically the tissue/implant interface. These data confirm the importance of reducing the space between the stimulating electrodes and retinal tissue, as well as the importance of physical characteristics of the electrical stimulus used. In a second approach, we have compared responses of visual cortical neuronal population using optical imaging (OI), evoked either by visual or electric retinal stimulation through subretinal prosthesis. This approach has demonstrated that the stimulation of an electrode induces cortical activation that the size of the cortical response to the retinal implant stimulation is much larger than its corresponding visual stimulus. In the third part, I performed in vitro experiment to measure the performance of stimulation at the level of ganglion cells of isolated retina. We have quantified the response curve as a function of the intensity of the electrical stimulation. Finally, the thesis describes a new animal model of outter retinal degeneration. OI was also performed on this model to assess the response to the visual and retinal prosthesis stimulations. This thesis, through complementary physical and physiological approaches, provides a number of responses that can potentially improve the use of retinal prostheses through specification of their design or patterns of stimulation.