Des chercheurs de l'Université Rockefeller ont réussi à redessiner une plateforme de microscopie à trois photons pour capturer l'activité neuronale dans les régions profondes du cerveau de souris vivantes. Dirigée par Alipasha Vaziri, PhD, chef du Laboratoire de neurotechnologie et de biophysique, l'équipe a développé un système connu sous le nom d'imagerie ultra-profonde à trois photons (TrUDI). Cette avancée permet d'enregistrer l'activité des populations neuronales à des profondeurs d'environ 2 mm sans avoir besoin de retirer chirurgicalement le cortex qui obscurcit généralement les structures plus profondes.
L'étude, intitulée « Imagerie ultra-profonde à trois photons avec résolution cellulaire (TrUDI) de l'activité des populations neuronales à une profondeur de 2 mm dans le cerveau de mammifère », a été publiée dans Nature Methods. En optimisant les paramètres laser, optiques et d'acquisition, la nouvelle plateforme génère environ 250 fois plus de photons de fluorescence détectés pour la même puissance laser par rapport aux approches précédentes. Cette augmentation significative du signal permet des enregistrements avec une résolution cellulaire unique qui étaient auparavant inaccessibles à de telles profondeurs.
Vaziri a expliqué que l'équipe a adopté une « approche de feuille blanche » plutôt que de se conformer aux limitations historiques concernant des lasers ou des paramètres spécifiques. Bien que la microscopie à trois photons produise intrinsèquement moins de fluorescence de fond que les méthodes à deux photons, atteindre une profondeur de signal suffisante nécessite des impulsions laser énergétiques qui risquent de chauffer et d'endommager les tissus si la puissance moyenne est augmentée sans discernement. Les enregistrements fonctionnels précédents utilisant cette technique n'avaient atteint qu'environ 1,2 mm, ce qui était inférieur à la limite théorique de plus de 2 mm.
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques pour guider des changements coordonnés du laser et de l'optique. Le système TrUDI fait correspondre les paramètres du laser d'excitation, le système optique et les paramètres d'acquisition aux limites linéaires et non linéaires pour une exposition laser sûre tout en répondant aux exigences spatio-temporelles pour l'imagerie calcique à résolution cellulaire unique. De plus, l'équipe a développé un schéma d'excitation ciblant les neurones qui active le laser uniquement lors du balayage des cellules identifiées.
Ces optimisations systématiques ont augmenté le signal de fluorescence disponible pour enregistrer l'activité transitoire dans des neurones individuels. Les tests menés sur des souris ont démontré des enregistrements sur des champs de vision mesurant environ 230 par 230 µm² à un taux de 8,6 Hz, atteignant avec succès des profondeurs d'environ 2 mm dans le cortex et l'hippocampe de la souris. Cette progression élargit l'accès aux circuits neuronaux qui nécessitaient auparavant un retrait invasif des tissus pour l'imagerie optique.
Malgré cette percée, Vaziri a noté que toutes les structures profondes du cerveau ne sont pas désormais accessibles. Certaines régions du striatum restent hors de portée, et plusieurs noyaux profonds du cerveau situés encore plus en profondeur nécessitent toujours des approches invasives. Le travail démontre principalement comment une optimisation coordonnée peut rapprocher l'imagerie à trois photons de sa limite de profondeur fondamentale tout en préservant l'intégrité des tissus au-dessus des régions étudiées.