Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Plusieurs avancements technologiques sont à la base de la neurophotonique, une science qui utilise les propriétés de la lumière pour sonder le système nerveux. Le développement de plusieurs méthodes de détection optiques, la découverte des protéines fluorescentes, le développement de sondes moléculaires fluorescentes et l'avancement dans le domaine des modifications génétiques fournissent aux neurosciences des outils spécifiques pour l'étude du système nerveux et des différentes populations cellulaires qui le composent. Alors que ces techniques sont pleinement accessibles in vitro, les outils de détection in vivo demeurent limités. En effet, la microscopie est limitée aux couches superficielles du système nerveux et les systèmes endoscopiques sont relativement invasifs. L'objectif des travaux présentés dans le cadre de cette thèse est de fournir des outils de détection optique multifonctionnels pour la détection de fluorescence ou l'illumination in vivo qui pallient aux limitations des techniques couramment utilisées pour mesurer la fluorescence provenant de cellules du système nerveux ou encore contrôler (via les outils optogénétiques) l'activité neuronal à l'aide de stimuli optique in vivo. Cette thèse comprend en premier lieu une revue de littérature et certains aspects théoriques relatifs aux microsondes optiques et électriques. Par la suite, différents types de microsondes sont présentés. Un premier type a été fabriqué à l'aide d'une fibre optique étirée et d'une microélectrode « ion-sensitive » dans le but d'enregistrer les variations intracellulaires de la concentration de l'ion K+, qui jouent un rôle important pour le maintien du potentiel de membrane cellulaire et pour le niveau d'excitabilité neuronale. Ces sondes ont permis d'enregistrer, pour la première fois, les fluctuations de K+ intracellulaire pendant les crises d'épilepsie chez le chat anesthésié. Le deuxième type de sonde utilisé fut fabriqué à l'aide d'une fibre à deux cœurs, un cœur optique et un cœur creux servant d'électrode. Ces sondes ont permis d'enregistrer simultanément la concentration calcique intracellulaire et l'activité neuronale extracellulaire. Ces enregistrements ont permis de confirmer le caractère unicellulaire de la résolution de la sonde. Les travaux de cette thèse ont également servi à augmenter les propriétés multifonctionnelles des sondes optiques et électriques et à élargir la gamme d'expériences auxquelles elles peuvent s'adapter. Nos travaux ont montré que les sondes optiques pouvaient être utilisées avec un système de détection optique multispectrale et combiner plus d'un type d'enregistrement électrophysiologique en utilisant des couches métalliques conductrices. Il a également été montré qu'elles pouvaient être utilisées avec les outils optogénétiques pour contrôler le niveau d'activité neuronale. Les dépolarisations et hyperpolarisations photo-induites avec les sondes ont d'ailleurs permis de développer une nouvelle méthode de mesure permettant de mesurer les propriétés intrinsèques de la membrane neuronale à partir du milieu extracellulaire. / Neurophotonic, a science that uses light properties to probe the nervous system, relies on many technological advances. The development of optical detection methods, the discovery of fluorescent proteins, the development of fluorescent molecular probes and the advancement in the field of genetic modification provided neuroscientists specific tools to study the brain and the different cell populations that it includes. While these techniques are fully accessible in vitro, in vivo detection tools remain limited. Indeed, microscopy is limited to superficial layers of the nervous system or is relatively invasive (endoscopic systems). The objective of this thesis is to provide tools for in vivo fluorescence optical detection or light delivery that overcomes the limitations of commonly used techniques to measure fluorescence arising from neurons or glial cells or control (via optogenetic tools) cellular activity with optical stimuli in vivo. This thesis first review the optical detection techniques and list theoretical aspects related to optical microprobes. Subsequently, different developed types of microprobes are presented. One type that was developed combines a tapered optical fiber and an ion-sensitive microelectrode to record changes in intracellular K+ concentration, which plays an important role in maintaining cellular membrane potential and the neuronal excitability level. These probes allowed us to record for the first time intracellular K+ fluctuations during epileptic seizures in anesthetised cat. The second type of probe used in our work was fabricated from a dual core fiber integrating an optical core and a hollow core used as an electrode. Using the latter probe, we measured simultaneously intracellular Ca2+ fluctuations and extracellular neuronal activity and demonstrated their single-cell resolution capabilities. Our work also involved enhancing the microprobe multifunctional capabilities and the range of experiments that it can be adapted to. We demonstrated that optical microprobes could be used with a multispectral optical detection system and adapted to include thin metallic layers as secondary electrodes to record local field potentials. It was also shown that they could be used with optogenetics tools to control the level of neuronal activity. Finally, photo-induced currents generated with the probes were used to develop an innovative method to resolve intrinsic membrane properties of neurons from the extracellular medium.

L’obésité et les maladies cardiométaboliques sont des problèmes de santé publique dans les populations nordiques du Canada ainsi qu’à travers le monde. Il est actuellement proposé que l’augmentation de ces désordres est en partie causée par divers facteurs environnementaux qui génèrent des changements importants du microbiote intestinal. Cette communauté microbienne qui peuple notre tractus gastrointestinal joue un rôle clé dans le métabolisme de nutriments, mais peut aussi avoir des effets néfastes lorsque son équilibre avec l’hôte est perturbé. Cette compréhension a mis en évidence le manque d’outils prédictifs permettant un diagnostic rapide et efficace dans le domaine biomédical. L’analyse actuelle du microbiote est réalisée à posteriori au niveau des selles, ce qui requiert du personnel hautement qualifié de même que des procédures longues et dispendieuses. L’objectif de ce projet est de concevoir un capteur optique qui, une fois implanté dans l’intestin, permettra de détecter en temps réel des biomarqueurs clés produit par le microbiome intestinal. Dans le cadre d’une preuve de concept, une architecture fibrée simple permettant de mesurer quantitativement des variations de pH est démontrée. Contrairement aux capteurs fibrés traditionnels, la sonde optique de ce projet exploite l’onde évanescente générée sur la périphérie de l’interface pour exciter des nanomatériaux greffés dont les propriétés de fluorescence varient selon leur environnement chimique. Les mesures sont possibles grâce à un système optique mobile contrôlé par un logiciel convivial qui permet à un utilisateur nonexpert d’utiliser l’appareil. Les résultats confirment qu’avec un étalonnage préalable il est possible avec cette sonde modèle de prendre des mesures quantitatives du pH en temps réel in vitro. Les expériences préliminaires suggèrent que la sonde permet aussi de mesurer le pH en temps réel dans l’intestin in vivo. / L’obésité et les maladies cardiométaboliques sont des problèmes de santé publique dans les populations nordiques du Canada ainsi qu’à travers le monde. Il est actuellement proposé que l’augmentation de ces désordres est en partie causée par divers facteurs environnementaux qui génèrent des changements importants du microbiote intestinal. Cette communauté microbienne qui peuple notre tractus gastrointestinal joue un rôle clé dans le métabolisme de nutriments, mais peut aussi avoir des effets néfastes lorsque son équilibre avec l’hôte est perturbé. Cette compréhension a mis en évidence le manque d’outils prédictifs permettant un diagnostic rapide et efficace dans le domaine biomédical. L’analyse actuelle du microbiote est réalisée à posteriori au niveau des selles, ce qui requiert du personnel hautement qualifié de même que des procédures longues et dispendieuses. L’objectif de ce projet est de concevoir un capteur optique qui, une fois implanté dans l’intestin, permettra de détecter en temps réel des biomarqueurs clés produit par le microbiome intestinal. Dans le cadre d’une preuve de concept, une architecture fibrée simple permettant de mesurer quantitativement des variations de pH est démontrée. Contrairement aux capteurs fibrés traditionnels, la sonde optique de ce projet exploite l’onde évanescente générée sur la périphérie de l’interface pour exciter des nanomatériaux greffés dont les propriétés de fluorescence varient selon leur environnement chimique. Les mesures sont possibles grâce à un système optique mobile contrôlé par un logiciel convivial qui permet à un utilisateur nonexpert d’utiliser l’appareil. Les résultats confirment qu’avec un étalonnage préalable il est possible avec cette sonde modèle de prendre des mesures quantitatives du pH en temps réel in vitro. Les expériences préliminaires suggèrent que la sonde permet aussi de mesurer le pH en temps réel dans l’intestin in vivo. / Obesity and cardiometabolic diseases (CMD) are major public health issues among Canada’s northern population and throughout the world. It is believed that the exponential rise in CMD incidence is due to numerous environmental factors, which are driving important changes in the gut microbiome. This microbial community which populates our intestinal tract plays a key role in nutrient and energy metabolism, but can also drive pathogenic mechanisms when its interaction with the host is disrupted. This understanding has highlighted the lack of predictive tools and biomarkers for rapid and efficient diagnostic of various diseases within the medical field. Current analysis of the gut microbiota is mostly based on sequencing technologies to determine microbial composition and gene expression, while functional analyses are limited to surrogate markers of microbial activities through stool metabolites. The goal of this study is to develop a “Sensor-in-Fibre” probe with the capacity to detect key microbiome-derived molecules relevant to CMD pathogenesis in real time in vivo. The optical probe takes advantage of evanescent fields generated on its peripheral interface to excite species-selective surface-grafted sensing nanomaterials that have varying fluorescent properties based on the target molecules present in the surrounding environment. As a model system, FITC functionalized with (3-aminopropyl)triethoxysilane was grafted on the periphery of an optical fiber, leading to qualitative pH measurements revealed through fluorescence emission qualities. These measurements are possible due to the use of a mobile signal collection apparatus in conjunction with custom software made to enable a non-expert technician to use it. The experimental results demonstrate that, with the appropriate preparation, it is possible to quantitatively measure pH with this probe structure in vitro and preliminary studies suggest that the probe is also capable of measuring pH in vivo in real time. / Obesity and cardiometabolic diseases (CMD) are major public health issues among Canada’s northern population and throughout the world. It is believed that the exponential rise in CMD incidence is due to numerous environmental factors, which are driving important changes in the gut microbiome. This microbial community which populates our intestinal tract plays a key role in nutrient and energy metabolism, but can also drive pathogenic mechanisms when its interaction with the host is disrupted. This understanding has highlighted the lack of predictive tools and biomarkers for rapid and efficient diagnostic of various diseases within the medical field. Current analysis of the gut microbiota is mostly based on sequencing technologies to determine microbial composition and gene expression, while functional analyses are limited to surrogate markers of microbial activities through stool metabolites. The goal of this study is to develop a “Sensor-in-Fibre” probe with the capacity to detect key microbiome-derived molecules relevant to CMD pathogenesis in real time in vivo. The optical probe takes advantage of evanescent fields generated on its peripheral interface to excite species-selective surface-grafted sensing nanomaterials that have varying fluorescent properties based on the target molecules present in the surrounding environment. As a model system, FITC functionalized with (3-aminopropyl)triethoxysilane was grafted on the periphery of an optical fiber, leading to qualitative pH measurements revealed through fluorescence emission qualities. These measurements are possible due to the use of a mobile signal collection apparatus in conjunction with custom software made to enable a non-expert technician to use it. The experimental results demonstrate that, with the appropriate preparation, it is possible to quantitatively measure pH with this probe structure in vitro and preliminary studies suggest that the probe is also capable of measuring pH in vivo in real time. / Résumé en espagnol / Résumé en espagnol