Ce présent projet de maîtrise porte sur le développement et l'optimisation d'une technique d'imagerie volumétrique rapide à grand champ, appelée la microscopie HiLo, pour imager l'activité calcique du cerveau de poisson-zèbres transgéniques GCaMP au stade juvénile. La microscopie HiLo peut effectivement amener divers avantages au domaine, tels que les faibles coûts et la facilité de conception et d'alignement, tout en procurant des performances d'imagerie similaires aux techniques déjà utilisées dans le domaine. Elle produit des images sectionnées optiquement en combinant deux images à grand champ pour extraire les informations provenant uniquement du plan focal : une à illumination uniforme et l'autre à illumination à tavelures laser. Le contraste des tavelures laser est un paramètre intéressant pour moduler l'épaisseur du sectionnement optique selon les besoins. Dans ce projet, un module Python est développé pour aider à la conception optique, ce qui est employé pour concevoir et construire le microscope HiLo avec les composantes optiques optimales. Le microscope est testé de multiple façon expérimentalement, définissant ses paramètres d'imagerie et démontrant ses performances. Un des aspects les plus intéressants du système est l'incorporation d'une lentille à focale variable pour produire des images volumétriques ainsi qu'un réducteur de tavelures laser pour alterner entre les deux types d'illumination. Beaucoup de travail est fait en ce qui concerne leur optimisation et synchronisation dans le système HiLo. L'algorithme permettant de produire des images sectionnées optiquement avec les deux images brutes à grand champ est développé en langage de programmation Python pour faciliter son utilisation future. Finalement, l'utilisation du microscope HiLo pour acquérir des images d'activité calcique du cerveau de poisson-zèbres permet de conclure que cette technique est prometteuse pour obtenir de l'information sur les connectivités du cerveau selon différents stimuli et stades de développement compte tenu de sa rapidité d'acquisition, son sectionnement optique et son faible coût. / The goal of this master's project is to optimize and develop a widefield imaging technique called HiLo microscopy for fast volumetric calcium imaging in a juvenile transgenic zebrafish brain expressing GCaMP. HiLo microscopy brings multiple advantages to the field, such as the low cost and the ease to design and align it and its performance is comparable to techniques already used in the field. The HiLo technique produces optically sectioned images by combining two raw widefield images to extract the information coming exclusively from the focal plane only. The first of the two images is acquired with a uniform illumination and the second is acquired with a speckle illumination. The speckle contrast is an interesting parameter to tune the optical sectioning thickness because they are indicators of objects' depth position. In this project, a Python module is developed to simulate optical design and calculations, which is then used to design the HiLo microscope with the most optimal optical components. The microscope's function is also tested with many different experiments that define its imaging parameters and demonstrates its performances. Some of the most interesting aspects of this system are the use of an electrically tunable lens to scan the sample in depth and a laser speckle reducer that is used to switch between the uniform and speckle illumination patterns. A significant amount of work is done to optimize and synchronize the components in the system. Next, the algorithm used to produce the optically sectioned images is also developed in this project with the Python programming language to facilitate its future usage. Finally, the HiLo microscope is used to produce calcium imaging acquisitions of zebrafish brains, which show that HiLo microscopy is promising to obtain connectivity information of the brain with different stimuli and at different developmental stages due to its fast acquisition speed, optical sectioning and low cost.

Introduction : Le trouble du jeu de hasard et d'argent (GD) est caractérisé par un comportement de jeu inadapté qui interfère avec les activités personnelles ou professionnelles. Ce trouble psychiatrique est difficile à traiter avec les thérapies actuelles et les rechutes sont fréquentes. Les symptômes dépressifs et cognitifs (e.g., l'impulsivité), ainsi que le "craving" (désir intense de jouer) sont des facteurs prédictifs de rechutes. Une meilleure compréhension des substrats neuronaux et leurs significations cliniques pourraient mener au développement de nouveaux traitements. La stimulation transcrânienne à courant direct (tDCS) pourrait être l'un de ceux-ci car elle permet de cibler des circuits neuronaux spécifiques. De plus, la tDCS ciblant le cortex dorsolatéral préfrontal (DLPFC) pourrait améliorer les symptômes dépressifs et cognitifs et réduire le craving. Cependant, les effets précis de la tDCS sur la fonction cérébrale, ainsi que leurs significations cliniques, demeurent à être élucidés. Par ailleurs, étant donné que les patients avec GD présentent souvent des différences morphométriques par rapport aux individus en santé, il est possible de faire l'hypothèse que la morphométrie cérébrale influence les effets de la tDCS. Objectifs : Ce travail avait trois objectifs principaux. Le premier objectif était d'explorer s'il y avait des associations entre les substrats neuronaux et les symptômes cliniques et cognitifs. Le deuxième objectif était d'examiner les effets de la tDCS sur la fonction cérébrale. Le troisième objectif était d'explorer si la morphométrie du site de stimulation (DLPFC) pouvait influencer les effets de la tDCS sur les substrats neuronaux. Méthode : Nous avons réalisé quatre études différentes. Dans la première étude, nous avons mesuré la morphométrie cérébrale en utilisant l'imagerie par résonance magnétique (IRM) structurelle. Nous avons mesuré les corrélations entre la morphométrie et les symptômes cliniques (dépression, sévérité et durée du GD) et cognitifs (impulsivité). De plus, nous avons comparé la morphométrie des patients à celui d'une base de données normative (individus en santé) en contrôlant pour plusieurs facteurs comme l'âge. Dans la deuxième étude, nous avons mesuré la fonction cérébrale (connectivité fonctionnelle) des patients avec l'IRM fonctionnelle. Nous avons examiné s'il y avait des liens entre la connectivité fonctionnelle et les symptômes cognitifs (impulsivité et prise de risque) et cliniques (sévérité et durée du GD). Dans la troisième étude, nous avons étudié les effets de la tDCS sur la connectivité fonctionnelle et si la morphométrie du DLPFC pouvait influencer ces effets. Dernièrement, dans la quatrième étude, nous avons examiné si la morphométrie du DLPFC pouvait influencer les effets de la tDCS sur la neurochimie (avec la spectroscopie par résonance magnétique). Résultats : Nous avons démontré deux corrélations positives entre la superficie du cortex occipital et les symptômes dépressifs (étude I). Nous avons également mis en évidence une corrélation positive entre la connectivité fonctionnelle d'un réseau occipital et l'impulsivité (étude II). De plus, il y avait une corrélation positive entre la connectivité fonctionnelle de ce réseau et la sévérité du GD. Par ailleurs, il y avait des corrélations positives entre la connectivité fonctionnelle de l'opercule frontal droit et la prise de risque (étude II). En outre, la connectivité fonctionnelle d'un réseau cérébelleux était corrélée avec les symptômes dépressifs (étude II). Les patients avaient aussi plusieurs différences morphométriques par rapport aux individus en santé (cortex occipital, préfrontal, etc.). Nous avons démontré également que la tDCS appliquée sur le DLPFC a augmenté la connectivité fonctionnelle d'un réseau fronto-pariétal (étude III). Finalement, cette thèse a montré que la morphométrie du DLPFC influence les augmentations induites par la tDCS sur la connectivité fonctionnelle du réseau fronto-pariétal (étude III) et le niveau de GABA frontal (étude IV). Conclusions : Cette thèse démontre une importance clinique potentielle pour les régions occipitales, frontales et cérébelleuses, particulièrement pour les patients ayant des symptômes dépressifs ou cognitifs. De plus, elle montre que la tDCS peut renforcer le fonctionnement d'un réseau fronto-pariétal connu pour son rôle dans les fonctions exécutives. Il reste à déterminer si un plus grand nombre de sessions pourrait apporter des bénéfices cliniques additionnels afin d'aider les patients à résister le jeu. Finalement, les résultats de cette thèse suggèrent que la morphométrie des régions sous les électrodes pourrait aider à identifier les meilleurs candidats pour la tDCS et pourrait être considéré pour la sélection des cibles de stimulation. / Introduction: Gambling disorder (GD) is characterised by maladaptive gambling behaviour that interferes with personal or professional activities. This psychiatric disorder is difficult to treat with currently available treatments and relapse rates are high. Several factors can predict relapse, including depressive and cognitive (e.g., impulsivity, risk taking) symptoms, in addition to craving (strong desire to gamble). A better understanding of neural substrates and their clinical significance could help develop new treatments. Transcranial direct current stimulation (tDCS) might be one of these since it can target specific neural circuits. In addition, tDCS targeting the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) could improve depressive and cognitive symptoms as well as reduce craving. However, the precise effects of tDCS on brain function, as well as their clinical significance, remain to be elucidated. Furthermore, considering that patients with GD often display morphometric differences as compared to healthy individuals, it may be worth investigating whether brain morphometry influences the effects of tDCS. Objectives: This work had three main objectives. The first objective was to explore whether there were associations between neural substrates and clinical and cognitive symptoms. The second objective was to examine the effects of tDCS on brain function. The third objective was to explore whether morphometry of the stimulation site (DLPFC) influenced the effects of tDCS on neural substrates. Methods: We carried out four different studies. In the first study, we investigated brain morphometry using structural magnetic resonance imaging (MRI). We tested for correlations between morphometry and clinical symptoms (depression, GD severity, GD duration) and cognitive symptoms (impulsivity). In addition, we compared the morphometry of patients with GD to that of a normative database (healthy individuals) while controlling for several factors such as age. In a second study, we assessed brain function (functional connectivity) in patients with functional MRI (fMRI). We examined whether there were associations between brain function and cognitive symptoms (impulsivity and risk taking) as well as clinical symptoms (GD severity and duration). In the third study, we examined tDCS-induced effects on brain function and whether morphometry of the DLPFC influenced these effects. Lastly, in the fourth study, we examined whether DLPFC morphometry influenced tDCS-induced effects on neurochemistry (using magnetic resonance spectroscopy imaging). Results: Firstly, we found two positive correlations between surface area of the occipital cortex and depressive symptoms (study I). We also showed a positive correlation between functional connectivity of an occipital network and impulsivity (study II). In addition, there was a positive correlation between functional connectivity of this network and GD severity (study II). In addition, there were positive correlations between functional connectivity of the right frontal operculum and risk-taking (study II). Also, functional connectivity of a cerebellar network was positively correlated with depressive symptoms (study II). Moreover, patients with GD had several morphometric differences as compared to healthy individuals (occipital and prefrontal cortices, etc.). Furthermore, we observed that tDCS over the DLPFC increased functional connectivity of a fronto-parietal circuit during stimulation (study III). Lastly, this thesis indicated that DLPFC morphometry influenced tDCS-induced elevations on fronto-parietal functional connectivity (study III) and frontal GABA levels (study IV). Conclusions: This thesis suggests the potential clinical relevance of occipital, frontal, and cerebellar regions, particularly for those with depressive and cognitive symptoms. It also indicates that tDCS can strengthen the functioning of a fronto-parietal network known to be implicated in executive functions. It remains to be seen whether a greater number of tDCS sessions could lead to clinical benefits to help patients resist gambling. Finally, the results of this thesis suggest that morphometry of the regions under the electrodes might help predict better candidates for tDCS and could be considered to select stimulation targets.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 août 2023) / Certaines caractéristiques de la larve de poisson-zèbre, telles que sa petite taille et sa transparence optique, en font un modèle stratégique en neurophotonique, en particulier avec la perspective d'études de l'activité du cerveau entier à l'échelle cellulaire. Malgré le relativement petit nombre de neurones présents dans le cerveau du poisson-zèbre, son organisation comprend plusieurs régions anatomiquement, biochimiquement et fonctionnellement analogues à celles présentes chez d'autres vertébrés, incluant l'humain. Les comportements émergeant de cette organisation forment un registre riche ouvrant la porte à la recherche en neurosciences. Par exemple, le système dopaminergique du poisson-zèbre régule plusieurs fonctions analogues chez l'humain, telles que les émotions et les fonctions motrices. Au cours de mon projet, j'ai modifié puis optimisé un microscope à fluorescence par excitation à deux photons, ce qui m'a permis de mesurer l'activité de plus de 60 000 neurones dans une lignée de poisson-zèbre transgénique exprimant un indicateur de calcium fluorescent (GCaMP6s) panneuronal. Pour identifier les neurones dopaminergiques, j'ai fait appel au marquage immunohistochimique des larves fixées suivant leur imagerie calcique. En projetant la localisation des neurones marqués sur les données fonctionnelles par recalage d'images, j'ai pu quantifier l'activité neuronale de la population dopaminergique. Enfin, pour mesurer les manifestations comportementales correspondant à l'activité neuronale, j'ai intégré au microscope un montage incluant un écran, projetant des stimuli visuels, et une caméra haute vitesse, captant les battements de queue. Ce montage a permis de corréler le comportement de nage de spécimens avec l'activité de neurones dont la distribution spatiale est cohérente avec la littérature. Mes travaux de maîtrise ont ainsi mis en place un modèle intégré d'imagerie neuronale, de stimulation sensorielle, et de comportement chez la larve de poisson-zèbre qui permettra d'explorer le rôle des différents circuits neuronaux dans le fonctionnement du cerveau ainsi que l'influence de l'exposome sur leur fonction.

Dans les dernières décennies, deux conceptualisations distinctes de la maladie d'Alzheimer (MA) se sont développées en parallèle, l'une étant axée sur son syndrome clinique et l'autre sur son processus pathophysiologique. Avec l'avènement des techniques d'imagerie cérébrale, le peptide ß-amyloïde a émergé comme biomarqueur principal de la MA. Son accumulation précoce dans le cerveau, qui précèderait de plusieurs années le déclin cognitif associé à la maladie, en a fait une cible centrale dans l'étude de la MA. L'hypothèse de la cascade amyloïde, selon laquelle l'accumulation anormale de ß-amyloïde dans le cerveau n'est non pas uniquement un marqueur mais bien la cause de la MA, s'est éventuellement établie comme l'hypothèse dominante du processus pathophysiologique de la maladie. Selon cette hypothèse, l'accumulation de ß-amyloïde serait étroitement liée à la progression clinique de la MA, et ses effets sur le déclin cognitif devraient se manifester avant même l'apparition des symptômes cliniques de la maladie. Pourtant, plusieurs résultats de recherche tendent à démontrer que cette relation n'est pas si claire. Dans une perspective de détection précoce et de prévention, il est crucial d'appréhender l'apparition et le développement de la MA en examinant la relation entre sa pathophysiologie putative et son syndrome clinique. Le présent mémoire doctoral s'intéresse à la relation entre l'accumulation de ß-amyloïde et le déclin cognitif à un stade précoce de la maladie, soit chez des individus âgés cognitivement sains, et à l'évolution de cette relation sur plusieurs années. L'objectif du mémoire est d'investiguer cette relation par une revue systématique de la littérature scientifique. À la lueur des résultats issus de cette revue, le mémoire réitère les enjeux reliés au diagnostic clinique et à la pathophysiologie de la MA et remet en question les orientations théoriques et les pratiques méthodologiques dans le domaine de la recherche sur la MA.Dans les dernières décennies, deux conceptualisations distinctes de la maladie d’Alzheimer (MA) se sont développées en parallèle, l’une étant axée sur son syndrome clinique et l’autre sur son processus pathophysiologique. Avec l’avènement des techniques d’imagerie cérébrale, le peptide ß-amyloïde a émergé comme biomarqueur principal de la MA. Son accumulation précoce dans le cerveau, qui précèderait de plusieurs années le déclin cognitif associé à la maladie, en a fait une cible centrale dans l’étude de la MA. L’hypothèse de la cascade amyloïde, selon laquelle l’accumulation anormale de ß-amyloïde dans le cerveau n’est non pas uniquement un marqueur mais bien la cause de la MA, s’est éventuellement établie comme l’hypothèse dominante du processus pathophysiologique de la maladie. Selon cette hypothèse, l’accumulation de ß-amyloïde serait étroitement liée à la progression clinique de la MA, et ses effets sur le déclin cognitif devraient se manifester avant même l’apparition des symptômes cliniques de la maladie. Pourtant, plusieurs résultats de recherche tendent à démontrer que cette relation n’est pas si claire. Dans une perspective de détection précoce et de prévention, il est crucial d’appréhender l’apparition et le développement de la MA en examinant la relation entre sa pathophysiologie putative et son syndrome clinique. Le présent mémoire doctoral s’intéresse à la relation entre l’accumulation de ß-amyloïde et le déclin cognitif à un stade précoce de la maladie, soit chez des individus âgés cognitivement sains, et à l’évolution de cette relation sur plusieurs années. L’objectif du mémoire est d’investiguer cette relation par une revue systématique de la littérature scientifique. À la lueur des résultats issus de cette revue, le mémoire réitère les enjeux reliés au diagnostic clinique et à la pathophysiologie de la MA et remet en question les orientations théoriques et les pratiques méthodologiques dans le domaine de la recherche sur la MA.

Le cerveau est la demeure d'une myriade de cellules autre que les neurones, travaillant ensemble pour assurer le développement et le bon fonctionnement du système nerveux central. En revanche, des troubles peuvent survenir de manière sexuellement dimorphique, ce qui signifie que l'inclusion des deux sexes dans l'étude des troubles neurodéveloppementaux est essentielle, car ils présentent généralement des phénotypes différents. Les cellules immunitaires telles que les microglies et les cellules dérivées de la moelle osseuse (BMDC) sont les soldats immunitaires défendant le corps et le cerveau. Les microglies interviennent aussi dans le développement du cerveau au niveau cellulaire et moléculaire. Leurs interactions avec les neurones sont perturbé dans les troubles neurodéveloppementaux. Pour les étudier, une gamme d'outils d'imagerie ont été développés capables de pousser nos connaissances de ces cellules. Ces outils ont montré que ces cellules interagissaient avec plus que seulement les neurones, comme les astrocytes et les cellules endothéliales de la vascularisation du cerveau, et leurs interactions sont dysfonctionnelles dans les troubles tel que la schizophrénie et la dépression. Il est connu que ces troubles peuvent être causés notamment pas des facteurs génétiques et environnementaux comme les infections pendant la grossesse. Des investigations cellules ont surligné les changements se produisant dans ces maladies impliquant les cellules immunitaires. Il est nécessaire de comprendre comment ces cellules interagissaient avec le parenchyme si nous voulons comprendre leur rôle en santé et en maladie. À cette fin, deux modèles ont été utilisés. Le premier est un modèle de double atteinte incluant une déficience du gène du récepteur de la fractalkine, une signalisation cruciale pour la communication microglie neurone. Cette épreuve génétique a été combinée avec une épreuve environnementale simulant une infection virale pendant la grossesse montrant une différence phénotypique entre les mâles et les femelles. Les mâles montrent des signes comportementaux ressemblant à la schizophrénie alors que les femelles montrent un comportement ressemblant à l'anxiété en plus de montrer une déficience dans la signalisation neuronale GABAergique. Les microglies dans la progéniture femelle venant de mères ayant subi l'épreuve double sont morphologiquement hypertrophiques, alors que les microglies de la progéniture mâle ont des processus plus épais et émoussés. Le deuxième modèle utilise un système de traçage des lignées cellulaires afin de suivre les cellules provenant de la moelle osseuse et leur progéniture. Cette méthode constitutive non invasive a été caractérisée. À cette fin, le rôle potentiel des BMDC a été investigué du développement postnatal du cerveau. Nous reportons pour la première fois une infiltration ponctuelle des BMDC pendant les deux premières semaines de la vie. Nous avons identifié une morphologie distincte des microglies en imagerie tout en adoptant des caractéristiques similaires à ceux-ci incluant l'expression de protéine exprimer par la microglie et l'effeuillage synaptique de type VGLUT1. La signalisation VGLUT1 est connue pour évoluer durant le développement du cerveau pour obtenir une signalisation excitatoire appropriée, des altérations ayant été rapportées dans les désordres comme la schizophrénie et l'épilepsie. Ces modèles ont aidés à découvrir des changements chez les microglies et les BMDC. Ces changements découlant de facteurs environnemental et génétique résultent en des altérations des neurones expliquant certains mécanismes des troubles neurodéveloppementaux. Ces découvertes renforcent les évidences de la littérature que le système immunitaire est quelque chose que l'on doit maintenir et préserver afin de prévenir les issues néfastes. / The brain is home to a myriad of cells other than neuron, working together to ensure development and proper functioning. However, issues can arise in a sexual dimorphic way, meaning that including both sexes is crucial + - when investigating neurodevelopmental disorder. Immune cells like microglia (IBA FLT3 ) and bone marrow- + + derived macrophages (IBA FLT3 , BMDC) are immune soldiers defending the brain. However, microglia also intervene in brain development. How they interacted with neurons is essential to this role and this communication is disrupted in neurodevelopmental disorders. To study them, a myriad of imaging tools was developed to advance our knowledge of their role. These tools showed that these cells interact with many cell types, such as astrocytes and the vasculature-related cells, another dynamic process altered in disorders like schizophrenia and depression. It is known that these disorders arise from alterations coming from genetic and environmental factors, such as viral infection. Cellular investigation highlighted the changes happening in these diseases involving immune cells. In addition, it is necessary to understand how immune cells interact with the parenchyma to understand their role in health and disease including schizophrenia and depression. To this end, two models were studied in this work. The first model is a dual challenged model involving a genetic knockout for the fractalkine gene, a crucial pathway for microglia-neuron interaction. This model also included a mimicked viral infection during pregnancy showing different phenotype in male than in the female. Males had schizophrenia- like behavior and female showed anxiety-like behavior and decreased GABAergic signaling. Microglia in the prenatally challenged female KO offspring are shown to be hypertrophic, while microglia from the prenatally challenged male KO offspring are numerous and thick and blunted. The second model is a fate mapping tools able to identify cells coming from the bone marrow and their progeny. This non-invasive constitutive model was + + characterized by its potential as a tool in psychoneuroimmunology. To this end, the potential role of IBA FLT3 + + BMDC in neurodevelopment was investigated. We report for the first time the transient infiltration of IBA FLT3 + - BMDC in the brain during the two first week of life. We identify a distinct morphology from IBA FLT3 microglia in imaging while keeping many microglial features including the expression of protein expressed by microglia and the pruning of VGLUT1 synapses. The VGLUT1 pathways is known to evolve during brain development for proper excitatory signaling in the brain as alterations in the number of VGLUT1 buttons are seen in patients with schizophrenia and epilepsy. Overall, we approach the broad question of how immune cells are implicated in the brain development and its related disorders by using a combine approach using model of disease and models + - + + of health. These models helped us uncover the change in IBA FLT3 microglia and in IBA FLT3 BMDC in health and disease. We can see that they are very plastic, adapting their morphology to the brain environment, environmental factors, and the genetics. These findings reinforce the growing evidence that our immune system is something to be cared for and preserved in order to prevent detrimental outcomes.

Les recherches sur le cerveau portent fréquemment sur ses réseaux fonctionnels internes. Cela implique l'évaluation de la connectivité fonctionnelle (CF), qui est la corrélation statistique entre les activités neuronales dans diverses régions cérébrales. L'une des techniques les plus utilisées pour mesurer la connectivité fonctionnelle est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette technique repose sur le principe qu'une activité neuronale accrue dans une région cérébrale spécifique entraîne généralement une augmentation du flux sanguin cérébral dans la même région. Cette augmentation du flux sanguin cause l'élévation des niveaux d'oxygène relatifs du cerveau, ce sont ces changements qui sont mesurés par l'IRMf. Cependant, il est connu que la relation entre l'activité neuronale locale et les changements subséquents dans le flux sanguin cérébral est complexe. Une meilleure compréhension de cette relation pourrait influencer l'interprétation des données de connectivité fonctionnelle issues de l'IRMf. Dans ce travail, la relation entre la connectivité fonctionnelle mesurée par IRMf de repos et la variabilité dans la structure vasculaire régionale du cerveau est étudiée. Cela est effectué en utilisant des données publiques disponibles sur la structure vasculaire entière du cerveau de la souris. La variabilité de la structure vasculaire cérébrale est évaluée à l'aide d'une métrique appelée similarité vasculaire. Ensuite, la relation entre la variabilité de la structure vasculaire et la CF est quantifiée en utilisant des modèles de régression linéaire multiple de la connectivité fonctionnelle. Ces modèles incorporent la similarité vasculaire aux côtés de prédicteurs de la CF couramment utilisés issus de la connectivité structurelle et de la topologie spatiale. Ces modèles révèlent que la variabilité de la microstructure vasculaire explique une quantité significative de la variance de la CF mesurée par IRMf de repos, et ce, autant dans des ensembles de données de connectivité fonctionnelle femelle que mâle. / The study of the brain frequently focuses on its intrinsic functional networks. This involves evaluating the functional connectivity (FC), which is the statistical correlation between neuronal activities in various brain regions. One of the most widely used techniques to measure functional connectivity is functional magnetic resonance imaging (fMRI). This technique relies on the principle that increased neuronal activity in a specific brain region typically leads to a rise in cerebral blood flow in the same region. Subsequently, this increased blood flow elevates the relative oxygen levels in the brain's blood, which is detected by the fMRI. However, it is known that the relationship between the local neuronal activity and subsequent changes in cerebral blood flow is complex. A better comprehension of this relationship could influence the interpretation of functional connectivity data arising from fMRI. In this study, the relation of resting-state fMRI functional connectivity and the variability in regional brain vasculature is investigated. This is done by using publicly available whole-brain vasculature data of the mouse brain. The variability of the brain vasculature is assessed using a metric called vascular similarity. Then the relationship between the variability of the brain vasculature and the FC is quantified using multiple linear regression models of functional connectivity. These models incorporate vascular similarity alongside commonly used metrics of FC derived from structural connectivity and spatial topology. These models reveal that microvascular structure variability explains a significant amount of variance in the FC measured by resting-state fMRI in both female and male FC datasets.

Au cœur de la cognition, du comportement et des émotions, le cerveau demeure un organe encore méconnu. L'une des approches les plus novatrices utilisées pour son exploration est l'imagerie calcique, qui offre la possibilité de suivre en temps réel l'activité neuronale. Initialement pratiquée sur des animaux immobilisés, la miniaturisation des composants optiques et des capteurs d'images a permis le développement de nouveaux outils, appelés mini-endoscopes ou microendoscopes, permettant désormais ce type d'études sur des animaux libres de se déplacer. Les mini-endoscopes possédant des résolutions cellulaires (3 µm à 15 µm), ils présentent des limites quant à l'observation de structures plus fines telles que les dendrites et les épines dendritiques (∼ 0.4 µm). Dans cette thèse, après avoir présenté un nouveau design d'endoscope fonctionnant à deux couleurs, nous exposons trois solutions novatrices visant à améliorer la résolution des mini-endoscopes. La première implique l'intégration d'une lentille à cristaux liquides ajustable, connue sous le nom de lentille fovéale. Cette lentille permet de modifier localement la distance focale lorsqu'elle est positionnée dans la voie d'imagerie. Nous avons obtenu un ajustement allant jusque 244 µm. Nous démontrons également la génération de spots lumineux dans le champ de vue en utilisant une seconde lentille fovéale placée dans la voie d'excitation. La seconde solution vise à corriger les aberrations optiques présentes dans le système microendoscopique, en particulier celles introduites par les lentilles à gradient d'indice. Pour ce faire, nous utilisons une lentille ajustable à base de cristaux liquides dont l'électrode circulaire est segmentée en huit électrodes indépendantes, permettant de remodeler la forme du front d'onde optique en introduisant des retards de phase. Nous faisons la caractérisation complète de cette lentille et faisons la démonstration de son efficacité en générant des fronts d'ondes aléatoires. La troisième solution repose sur l'utilisation de techniques de super-résolution pour surpasser la limite de diffraction. À cette fin, nous avons développé un module à base de cristaux liquides permettant de générer les différents motifs d'illumination nécessaires à l'application de la technique de l'illumination structurée. / At the core of cognition, behavior, and emotions, the brain remains a largely undiscovered organ. One of the most innovative approaches used for its exploration is calcium imaging, providing the ability to monitor neuronal activity in real time. Initially conducted on immobilized animals, the miniaturization of optical components and image sensors has led to the development of new tools, known as mini-endoscopes or microendoscopes, enabling such studies on freely moving animals. While mini-endoscopes have cellular resolutions (3 µm to 15 µm), they have limitations in observing finer structures such as dendrites and dendritic spines (∼ 0.4 µm). In this thesis, after introducing a new two-color endoscope design, we present three innovative solutions aimed at improving mini-endoscope resolution. The first involves integrating an adjustable liquid crystal lens, known as a foveal lens, to locally modify the focal distance when positioned in the imaging path. We achieved adjustments up to 244 µm. We also demonstrate the generation of bright spots in the field of view using a second foveal lens placed in the excitation path. The second solution aims to correct optical aberrations in the microendoscopic system, especially those introduced by gradient index lenses. To achieve this, we use an adjustable liquid crystal lens with a circular electrode segmented into eight independent electrodes, allowing the reshaping of the optical wavefront by introducing phase delays. We conduct a comprehensive characterization of this lens and demonstrate its effectiveness by generating random wavefronts. The third solution relies on the use of super-resolution techniques to overcome the diffraction limit. For this purpose, we developed a liquid crystal-based module to generate various illumination patterns necessary for the application of structured illumination techniques.

Un des défis majeurs en neurosciences est d’acquérir des images de neurones profondément dans le cerveau tout en gardant un champ de vue raisonnable et en causant le moins de dommage possible au tissu. Le premier projet décrit dans ce mémoire consiste en un système endoscopique à balayage laser. En utilisant des composantes micro-optique au bout d’une fibre monomode de 125 µm de diamètre, un laser vient être focalisé sur le côté de cette fibre à environ 60 µm de celle-ci. Un micro capillaire de verre de 250 µm de diamètre externe et 150 µm de diamètre interne sert de guide pour cette fibre dans l’échantillon. Le point focal possède un diamètre entre 2 et 3 µm et peut être balayé sur une même ligne horizontale à une vitesse de 30 Hz et sur un angle de 90o par un système construit spécialement pour suivre la géométrie cylindrique de l’endoscope. Un actuateur piezoélectrique déplace la fibre verticalement avec une résolution microscopique sur un intervalle de 400 µm pour compléter une image cylindrique. Le fait de collecter le signal de fluorescence sur le côté de la fibre facilite son utilisation lors de l’acquisition et permet d’acquérir des images sur des zones non affectées par la chirurgie. De plus, le champ de vue du système est contrôlé par l’angle de balayage et la translation verticale de la fibre, donc complètement indépendant du diamètre de celle-ci. En utilisant des longueurs de fibres à gradient d’indice différentes, il est également possible de modifier le champ de vue du système, sans modifier son diamètre. Il a été possible avec ce système d’acquérir des images de microglies dans le mésencéphale d’une souris CX3CR1-GFP. Le système est prêt à être utilisé pour de l’imagerie calcique sur une ligne de pixel. L’imagerie de cerveaux entiers peut révéler une panoplie d’informations permettant de mieux comprendre le développement neuronal à l’échelle microscopique, mais également macroscopique. De plus, visualiser le cerveau comme un tout permet de mieux conceptualiser comment différentes maladies l’affectent dans son ensemble plutôt que de s’intéresser qu’à certaines structures spécifiques. En ce moment, il existe deux défis quant à l’imagerie de cerveau de souris complet : 1) le temps d’acquisition souvent très long (plusieurs heures) et 2) la création d’une grande quantité de données qui requiert une gestion ordonnée et spécifique pour ce genre d’application. Pour pallier à ces défis, on présente dans ce mémoire un système d’imagerie volumétrique à excitation 1-photon ayant une résolution raisonnable, capable d’acquérir un cerveau de souris entier avec sectionnement optique en quelques minutes. Il s’agit d’une combinaison entre un système à grand champ et l’algorithme HiLo. Le champ de vue est ... / Imaging cells and axons in deep brain with minimal damage while keeping a sizable field of view remains a challenge, because it is difficult to optimize one without sacrificing the other. We propose a scanning method reminiscent of laser scanning microscopy to get a reasonable field of view with minimal damage deep in the brain. By using micro-optics at the tip of our 125 µm-diameter singlemode fiber inside a 250 µm capillary, we can create a focal spot on the side of the fiber at a distance of approximately 60 µm. The focal spot has a 2 µm diameter and can be scanned at up to 30 hertz by a custom scanning device over a 90 degree angular sweep on a single line. A piezoelectric actuator moves up and down the fiber to achieve a cylindrical scanning pattern. By having this side illumination, there is no need for surgical exposure of the tissue, making our method simple and easy to achieve. The field of view is controlled by the angular and vertical sweeps, unrelated to the fiber diameter. Furthermore, by modifying the length of the grin lens, we could directly increase or decrease the field of view of our optical system, without any change on the probe diameter. We have succeeded in imaging microglia in the midbrain of a CX3CR1-GFP mouse. The system is also ready for calcium imaging on single pixel lines. Imaging whole mouse brains can provide a wealth of information for understanding neuronal development at both the microscopic and macroscopic scale. Furthermore, visualizing entire brain samples allow us to better conceptualize how different diseases affect the brain as a whole, rather than only investigating a certain structure. Currently, two main challenges exist in achieving whole mouse brain imaging: 1) Long image acquisition sessions (on the order of several hours) and 2) Big data creation and management due to the large, high-resolution image volumes created. To overcome these challenges, we present a fast 1-photon system with a slightly decreased resolution allowing whole brain, optically sectioned imaging on the order of minutes by using a mathematical algorithm termed “HiLo”. Our large field of view (25 mm2 ) allows us to see an entire newborn mouse brain in a single snapshot with a resolution of about 2 µm in lateral direction and 4 µm in axial direction. This resolution still allows visualization of cells and some large axonal projections. This technological advancement will first and foremost allow us to rapidly image large volume samples and store them in a smaller format without losing the integral information, which is mainly stained-cell quantity and location. Secondly, the design will allow for increased successful high-resolution imaging by screening ...

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Ce présent projet de maîtrise porte sur l'étude du couplage neurovasculaire, soit la relation entre l'activité neuronale et la dilatation/constriction des vaisseaux sanguins, car une dysfonction dans le couplage neurovasculaire est une des caractéristiques de certaines pathologies cérébrales telles que la maladie d'Alzheimer, l'hypertension intracrânienne et l'AVC ischémique, mais aucune technique d'imagerie existe pour mesurer l'activité neuronale et l'oxygénation vasculaire cérébrale simultanément et indépendamment. Ce projet de recherche a pour buts principaux de développer un modèle animal de souris et un protocole d'imagerie pour étudier le couplage neurovasculaire in vivo injectées d'un adénovirus associé (AAV) à l'aide d'un microscope 2-photons. Cette modalité d'imagerie, permet d'exciter et d'imager des structures fluorescentes à haute résolution spatiale. Cette méthode de microscopie a l'avantage de produire des images contenant l'information venant uniquement du plan focal, et de permettre une plus grande profondeur de pénétration par rapport aux autres techniques de microscopie standards. Dans ce projet, un modèle animal a été développé et optimisé pour exprimer la protéine fluorescente GCaMP6s dans le corps cellulaire des neurones excitateurs et inhibiteurs chez des souris adultes. Ce modèle animal exprime aussi le fluorophore Texas Red qui est un marqueur de plasma sanguin. Les paramètres du microscope 2-photons ont été déterminés pour imager et mesurer l'activité neuronale ainsi que pour imager la vasculature cérébrale simultanément et indépendamment dans le cortex somatosensoriel qui est relié aux mouvements des moustaches. Les mesures acquises démontrent que cette technique d'imagerie et ce modèle animal permettent d'obtenir de l'information sur l'activité neuronale avec et sans stimulation sur des souris anesthésiées ou éveillées. Les stimulations externes appliquées à la souris imagée sont des bouffées d'air envoyées sur les moustaches d'un côté du museau de la souris. Des images de la structure vasculaire ont été obtenues avec le faisceau gaussien du microscope 2-photons, mais aussi avec le faisceau de Bessel qui permet d'acquérir des images volumiques. L'étude du couplage neurovasculaire de ce modèle animal a été faite au microscope 2-photons en corrélant l'intensité des signaux émis par GCaMP6s et par Texas Red. De plus, la microscopie à champ large a été exploitée pour quantifier l'hémodynamique dans l'ensemble du cortex, puis ainsi vérifier la corrélation entre l'oxygénation du sang et l'activité neuronale. Finalement, la possibilité de mesurer le débit sanguin au microscope 2-photons et de détecter l'activité neuronale au microscope à champ large a été évaluée. / This present master's project focuses on the study of neurovascular coupling, i.e. the relationship between neuronal activity and the dilation/constriction of blood vessels, because a dysfunction in neurovascular coupling is one of the characteristics of certain cerebral pathologies like Alzheimer's disease, intracranial hypertension and ischemic stroke, but no imaging technique exists to measure neuronal activity and cerebral vascular oxygenation simultaneously and independently. The main goals of this research project are to develop an animal mouse model injected with an associated adenovirus (AAV) and an imaging protocol to study neurovascular coupling in vivo using 2-photon microscopy. This imaging modality makes it possible to excite and image fluorescent structures at high spatial resolution. This method of microscopy has the advantage of producing images containing information coming only from the focal plane, and of allowing a greater depth of penetration compared to other standard microscopy techniques. In this project, an animal model was developed and optimized to express the fluorescent protein GCaMP6s in the cell body of excitatory and inhibitory neurons in adult mice. This animal model also expresses the Texas Red fluorophore which is a blood plasma marker. The parameters of the 2-photon microscope were determined to image and measure neuronal activity as well as to image the cerebral vasculature simultaneously and independently in the somatosensory cortex which is connected to the movements of the whiskers. The measurements acquired demonstrate that this imaging technique and this animal model make it possible to obtain information on neuronal activity with and without stimulation in anesthetized or awake mice. The external stimuli applied to the imaged mouse are puffs of air delivered to the whiskers on one side of the mouse's muzzle. Images of the vascular structure were obtained with the Gaussian beam of the 2-photon microscope, but also with the Bessel beam which makes it possible to acquire volumetric images. The study of the neurovascular coupling of this animal model was made under a 2-photon microscope by correlating the intensity of the signals emitted by GCaMP6s and by Texas Red. In addition, wide-field microscopy has been used to quantify hemodynamics throughout the cortex, and thus verify the correlation between blood oxygenation and neuronal activity. Finally, the possibility of measuring blood flow under a 2-photon microscope and detecting neuronal activity under a wide-field microscope was evaluated.

Les cellules neurales expriment des molécules dites immunes qui peuvent exercer des rôles différents de ceux exercés dans le système immunitaire. Les molécules du CMH-I classiques présentent des peptides représentatifs du contenu protéique de chaque cellule aux sentinelles du système immunitaire. Cependant, il est documenté que ces molécules ont aussi des fonctions « non immunes ». En effet, les molécules du CMH-I classiques jouent un rôle dans l'établissement et la plasticité des synapses. Sur divers types cellulaires, elles peuvent aussi interagir avec des récepteurs membranaires en cis, moduler leur stabilité à la membrane et en conséquence leur activité. RAE-1 est un membre de la famille des molécules du CMH-I, décrite initialement dans le système nerveux central embryonnaire. Pour le système immunitaire, RAE-1 est un ligand du récepteur activateur NKG2D, exprimé par les cellules NK, NKT, les lymphocytes T γδ et CD8+. RAE-1 est peu ou pas exprimé dans la plupart des tissus adultes. Son expression est induite par le stress génotoxique, la transformation tumorale ou l'infection virale ce qui permet au système immunitaire d'éliminer les cellules « malades » grâce à l'activation des cellules cytotoxiques exprimant NKG2D. Je décris l'expression de RAE-1 par les cellules neurales progénitrices et le rôle non immun de cette molécule dans la prolifération cellulaire. L'expression de RAE-1 est fortement corrélée au niveau de prolifération cellulaire et est dépendante du facteur de croissance EGF. / Neural cells express immune molecules which roles differ from those in the immune system. Classical MHC-I molecules present peptides originated from the proteic content of each cell to patrolling immune cells. However, these molecules can also have nonimmune roles. Indeed, classical MHC-I molecules participate in the establishment of synapses and synaptic plasticity. They can also interact in cis with different membrane receptors on different cell types, and modulate the receptors' membrane stability and activity. RAE-1, a member of MHC-I family, was initially described in the embryonic central nervous system. In the immune system, RAE-1 is a ligand of the activating receptor NKG2D, expressed by NK cells and by NKT, γδT and some CD8+ T lymphocytes. RAE-1 is weakly or not expressed in most adult tissues. Its expression is induced by genotoxic stress, tumoral transformation or viral infection and triggers the elimination of transformed cells by the cytotoxic immune cells which express NKG2D. I describe here the expression of RAE-1 by neural progenitor cells and its role in cell proliferation. RAE-1 expression level is highly correlated with the rate of cell proliferation and depends on the presence of epidermal growth factor (EGF). Exposition to EGF induces the colocalization of RAE-1 and phosphorylated EGF-receptor (EGFR) inside lipid rafts and endocytosed vesicles, which supports a role of RAE-1 as a partner of EGFR. RAE-1 expression is also induced in the nervous tissue in different models of CNS pathologies. In these conditions, RAE-1 could be expressed by proliferating microglia under the control of M-CSF.