Imaging exocytosis and recycling of synaptic-like microvesicles in astrocytes.

Optical imaging techniques are well suited for following the dynamics of physiological processes in living cells. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy based on evanescent wave illumination (EWi) allows spectacular, real-time visualization of individual vesicle movements, fusions, and retrievals at the cell surface (i.e., within 100 nm of the plasma membrane). TIRF microscopy is an ideal approach for studying the properties of exocytosis and recycling in cultured astrocytes, particularly because these cells have a rather flat surface and contain secretory vesicles with sparse distribution. Among all populations of secretory vesicles, we focus here on synaptic-like microvesicles (SLMVs). We illustrate how TIRF microscopy using EWi is useful to study exocytosis and recycling of SLMVs at the single-vesicle level and, when combined with epifluorescence illumination (EPIi), can provide detailed information on the kinetics of exocytosis, endocytosis, and re-acidification at the whole-cell level.

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Effet de la transmission cholinergique sur la cartographie fonctionnelle du cortex visuel du rongeur

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral.

Electro-Optical Properties of Metal Phthalocyanines and Naphthalocyanines

The thesis deals with the preparation of chemical, optical, thermal and electrical characterization of five compounds, namely metal free naphthalocyanine, vanadyl napthalocyanine, zinc naphlocyanine, europium dinaphthalocyanine, and europium diphthalocyanine in the pristine and iodine-doped forms. Two important technological properties of these compounds have been investigated. The electrical properties are important in applications sensors and semiconductor lasers. Opto-thermal properties assume significance for optical imaging and data recording. The electrical properties were investigated by dc and ac techniques. This work has revealed some novel information on the conduction mechanism in five macrocyclic compounds and their iodine-doped forms. Also useful data on the thermal diffusivity of the target compounds have been obtained by optical techniques.

Development of active microwave imaging techniques for applications in mammography

Breast cancer is the most common non - skin malignancy in women and a leading cause of female morality. A potentially important strategy for reducing this menace is the detection at an early stage . The invention of non-invasive and non-ionizing microwave technique, to reveal the internal structure of biological objects was a break through in the field of medical diagnostics. Electrical properties of biological tissues and their interaction with electromagmetic waves have direct impact on human life. This thesis focuses on theoretical and experimental investigations of active microwave imaging techniques for breast cancer detection.

Efficient topology estimation for large scale optical mapping

Large scale image mosaicing methods are in great demand among scientists who study different aspects of the seabed, and have been fostered by impressive advances in the capabilities of underwater robots in gathering optical data from the seafloor. Cost and weight constraints mean that lowcost Remotely operated vehicles (ROVs) usually have a very limited number of sensors. When a low-cost robot carries out a seafloor survey using a down-looking camera, it usually follows a predetermined trajectory that provides several non time-consecutive overlapping image pairs. Finding these pairs (a process known as topology estimation) is indispensable to obtaining globally consistent mosaics and accurate trajectory estimates, which are necessary for a global view of the surveyed area, especially when optical sensors are the only data source. This thesis presents a set of consistent methods aimed at creating large area image mosaics from optical data obtained during surveys with low-cost underwater vehicles. First, a global alignment method developed within a Feature-based image mosaicing (FIM) framework, where nonlinear minimisation is substituted by two linear steps, is discussed. Then, a simple four-point mosaic rectifying method is proposed to reduce distortions that might occur due to lens distortions, error accumulation and the difficulties of optical imaging in an underwater medium. The topology estimation problem is addressed by means of an augmented state and extended Kalman filter combined framework, aimed at minimising the total number of matching attempts and simultaneously obtaining the best possible trajectory. Potential image pairs are predicted by taking into account the uncertainty in the trajectory. The contribution of matching an image pair is investigated using information theory principles. Lastly, a different solution to the topology estimation problem is proposed in a bundle adjustment framework. Innovative aspects include the use of fast image similarity criterion combined with a Minimum spanning tree (MST) solution, to obtain a tentative topology. This topology is improved by attempting image matching with the pairs for which there is the most overlap evidence. Unlike previous approaches for large-area mosaicing, our framework is able to deal naturally with cases where time-consecutive images cannot be matched successfully, such as completely unordered sets. Finally, the efficiency of the proposed methods is discussed and a comparison made with other state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets in underwater scenarios

Optical Design for Automatic Identification and Portable Systems

This thesis proposes design methods and test tools, for optical systems, which may be used in an industrial environment, where not only precision and reliability but also ease of use is important. The approach to the problem has been conceived to be as general as possible, although in the present work, the design of a portable device for automatic identification applications has been studied, because this doctorate has been funded by Datalogic Scanning Group s.r.l., a world-class producer of barcode readers. The main functional components of the complete device are: electro-optical imaging, illumination and pattern generator systems. For what concerns the electro-optical imaging system, a characterization tool and an analysis one has been developed to check if the desired performance of the system has been achieved. Moreover, two design tools for optimizing the imaging system have been implemented. The first optimizes just the core of the system, the optical part, improving its performance ignoring all other contributions and generating a good starting point for the optimization of the whole complex system. The second tool optimizes the system taking into account its behavior with a model as near as possible to reality including optics, electronics and detection. For what concerns the illumination and the pattern generator systems, two tools have been implemented. The first allows the design of free-form lenses described by an arbitrary analytical function exited by an incoherent source and is able to provide custom illumination conditions for all kind of applications. The second tool consists of a new method to design Diffractive Optical Elements excited by a coherent source for large pattern angles using the Iterative Fourier Transform Algorithm. Validation of the design tools has been obtained, whenever possible, comparing the performance of the designed systems with those of fabricated prototypes. In other cases simulations have been used.

OPTiSPIM: integrating optical projection tomography in light sheet microscopy extends specimen characterization to nonfluorescent contrasts.

Mesoscopic 3D imaging has become a widely used optical imaging technique to visualize intact biological specimens. Selective plane illumination microscopy (SPIM) visualizes samples up to a centimeter in size with micrometer resolution by 3D data stitching but is limited to fluorescent contrast. Optical projection tomography (OPT) works with fluorescent and nonfluorescent contrasts, but its resolution is limited in large samples. We present a hybrid setup (OPTiSPIM) combining the advantages of each technique. The combination of fluorescent and nonfluorescent high-resolution 3D data into integrated datasets enables a more extensive representation of mesoscopic biological samples. The modular concept of the OPTiSPIM facilitates incorporation of the transmission OPT modality into already established light sheet based imaging setups.

Annexin A5-Conjugated Polymeric Micelles For Dual SPECT and Optical Detection of Apoptosis

Apoptosis, a form of programmed cell death, is critical to homoeostasis, normal development, and physiology. Dysregulation of apoptosis can lead to the accumulation of unwanted cells, such as occurs in cancer, and the removal of needed cells or disorders of normal tissues, such as heart, neurodegenerative, and autoimmune diseases. Noninvasive detection of apoptosis may play an important role in the evaluation of disease states and response to therapeutic intervention for a variety of diseases. It is desirable to have an imaging method to accurately detect and monitor this process in patients. In this study, we developed annexin A5-conjugated polymeric micellar nanoparticles dual-labeled with a near-infrared fluorescence fluorophores (Cy7) and a radioisotope (111In), named as 111In-labeled annexin A5-CCPM. In vitro studies demonstrated that annexin A5-CCPM could strongly and specifically bind to apoptotic cells. In vivo studies showed that apoptotic tissues could be clearly visualized by both single photon emission computed tomography (SPECT) and fluorescence molecular tomography (FMT) after intravenous injection of 111In-labeled Annexin A5-CCPM in 6 different apoptosis models. In contrast, there was little signal in respective healthy tissues. All the biodistribution data confirmed imaging results. Moreover, histological analysis revealed that radioactivity count correlated with fluorescence signal from the nanoparticles, and both signals co-localized with the region of apoptosis. In sum, 111In-labeled annexin A5-CCPM allowed visualization of apoptosis by both nuclear and optical imaging techniques. The complementary information acquired with multiple imaging techniques should be advantageous in improving diagnostics and management of patients.

APPLICATIONS OF EPHB4 RECEPTOR SPECIFIC PEPTIDES IN TARGETED CANCER IMAGING AND THERAPY

EphB4 receptors, a member of the largest family of receptor tyrosine kinases, are found over-expressed in a variety of tumors cells including glioma cells as well as angiogenic blood vessels. Noninvasive imaging of EphB4 could potentially increase early detection rates, monitor response to therapy directed against EphB4, and improve patient outcomes. Targeted delivery of EphB4 receptor specific peptide conjugated hollow gold nanoshells (HAuNS) into tumors has great potential in cancer imaging and photothermal therapy. In this study, we developed an EphB4 specific peptide named TNYL-RAW and labeled with radioisotope 64Cu and Cy5.5 dye. We also conjugate this specific peptide with hollow gold nanoshells (HAuNS) to evaluate targeted photothermal therapy of cancers. In vitro, 64Cu-DOTA-TNYL- RAW specifically bind to CT26 and PC-3M cells but not to A549 cells. In vivo, Small-animal PET/CT clearly showed the significant uptake of 64Cu-DOTA-TNYL-RAW in CT26 and PC-3M tumors but not in A549 tumors. Furthermore, µPET/CT and near-infrared optical imaging clearly showed the uptake of the dual labeled TNYL-RAW peptide in both U251 and U87 tumors in the brains of nude mice. In U251 tumors, Cy5.5-labeled peptide can bind to EphB4-expressing tumor blood vessels and tumors cells. But in U87 models, dual labeled peptide only could bind to tumor associated blood vessels. Also, Irradiation of PC-3M and CT-26 cell treated with TNYL-PEG-HAuNS nanopatilces with near-infrared (NIR) laser resulted in selective destruction of these cells in vitro. EphB4 targeted TNYL-PEG-HAuNS showed more photothermal killing effect on CT26 tumor model than PEG-HAuNS did. In summary, tumors with overexpression of EphB4 receptors can be noninvasively visualized by micro PET/CT with 64Cu labeled or dual labeled TNYL-RAW peptide. Targeted delivery of TNYL-RAW conjugated HAuNS into tumors can greatly improve the treatment effect of photothermal therapy. The information acquired with this study should be advantageous in improving diagnostics and future applications in photothermal ablation therapy in clinical.

Vascular imprints of neuronal activity: Relationships between the dynamics of cortical blood flow, oxygenation, and volume changes following sensory stimulation

Modern functional neuroimaging methods, such as positron-emission tomography (PET), optical imaging of intrinsic signals, and functional MRI (fMRI) utilize activity-dependent hemodynamic changes to obtain indirect maps of the evoked electrical activity in the brain. Whereas PET and flow-sensitive MRI map cerebral blood flow (CBF) changes, optical imaging and blood oxygenation level-dependent MRI map areas with changes in the concentration of deoxygenated hemoglobin (HbR). However, the relationship between CBF and HbR during functional activation has never been tested experimentally. Therefore, we investigated this relationship by using imaging spectroscopy and laser-Doppler flowmetry techniques, simultaneously, in the visual cortex of anesthetized cats during sensory stimulation. We found that the earliest microcirculatory change was indeed an increase in HbR, whereas the CBF increase lagged by more than a second after the increase in HbR. The increased HbR was accompanied by a simultaneous increase in total hemoglobin concentration (Hbt), presumably reflecting an early blood volume increase. We found that the CBF changes lagged after Hbt changes by 1 to 2 sec throughout the response. These results support the notion of active neurovascular regulation of blood volume in the capillary bed and the existence of a delayed, passive process of capillary filling.

Coexistence of linear zones and pinwheels within orientation maps in cat visual cortex

Revealing the layout of cortical maps is important both for understanding the processes involved in their development and for uncovering the mechanisms underlying neural computation. The typical organization of orientation maps in the cat visual cortex is radial; complete orientation cycles are mapped around orientation singularities. In contrast, long linear zones of orientation representation have been detected in the primary visual cortex of the tree shrew. In this study, we searched for the existence of long linear sequences and wide linear zones within orientation preference maps of the cat visual cortex. Optical imaging based on intrinsic signals was used. Long linear sequences and wide linear zones of preferred orientation were occasionally detected along the border between areas 17 and 18, as well as within area 18. Adjacent zones of distinct radial and linear organizations were observed across area 18 of a single hemisphere. However, radial and linear organizations were not necessarily segregated; long (7.5 mm) linear sequences of preferred orientation were found embedded within a typical pinwheel-like organization of orientation. We conclude that, although the radial organization is dominant, perfectly linear organization may develop and perform the processing related to orientation in the cat visual cortex.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Clinical translation of a hand-held optical imager for breast cancer diagnostics: In vitro and in vivo tomography studies

Optical imaging is an emerging technology towards non-invasive breast cancer diagnostics. In recent years, portable and patient comfortable hand-held optical imagers are developed towards two-dimensional (2D) tumor detections. However, these imagers are not capable of three-dimensional (3D) tomography because they cannot register the positional information of the hand-held probe onto the imaged tissue. A hand-held optical imager has been developed in our Optical Imaging Laboratory with 3D tomography capabilities, as demonstrated from tissue phantom studies. The overall goal of my dissertation is towards the translation of our imager to the clinical setting for 3D tomographic imaging in human breast tissues. A systematic experimental approach was designed and executed as follows: (i) fast 2D imaging, (ii) coregistered imaging, and (iii) 3D tomographic imaging studies. (i) Fast 2D imaging was initially demonstrated in tissue phantoms (1% Liposyn solution) and in vitro (minced chicken breast and 1% Liposyn). A 0.45 cm3 fluorescent target at 1:0 contrast ratio was detectable up to 2.5 cm deep. Fast 2D imaging experiments performed in vivo with healthy female subjects also detected a 0.45 cm3 fluorescent target superficially placed ∼2.5 cm under the breast tissue. (ii) Coregistered imaging was automated and validated in phantoms with ∼0.19 cm error in the probe’s positional information. Coregistration also improved the target depth detection to 3.5 cm, from multi-location imaging approach. Coregistered imaging was further validated in-vivo , although the error in probe’s positional information increased to ∼0.9 cm (subject to soft tissue deformation and movement). (iii) Three-dimensional tomography studies were successfully demonstrated in vitro using 0.45 cm3 fluorescence targets. The feasibility of 3D tomography was demonstrated for the first time in breast tissues using the hand-held optical imager, wherein a 0.45 cm3 fluorescent target (superficially placed) was recovered along with artifacts. Diffuse optical imaging studies were performed in two breast cancer patients with invasive ductal carcinoma. The images showed greater absorption at the tumor cites (as observed from x-ray mammography, ultrasound, and/or MRI). In summary, my dissertation demonstrated the potential of a hand-held optical imager towards 2D breast tumor detection and 3D breast tomography, holding a promise for extensive clinical translational efforts.