Confocal and two-photon microscopy : image enhancement /

Confocal and two-photon microcopy have become essential tools in biological research and today many investigations are not possible without their help. The valuable advantage that these two techniques offer is the ability of optical sectioning. Optical sectioning makes it possible to obtain 3D visuahzation of the structiu-es, and hence, valuable information of the structural relationships, the geometrical, and the morphological aspects of the specimen. The achievable lateral and axial resolutions by confocal and two-photon microscopy, similar to other optical imaging systems, are both defined by the diffraction theorem. Any aberration and imperfection present during the imaging results in broadening of the calculated theoretical resolution, blurring, geometrical distortions in the acquired images that interfere with the analysis of the structures, and lower the collected fluorescence from the specimen. The aberrations may have different causes and they can be classified by their sources such as specimen-induced aberrations, optics-induced aberrations, illumination aberrations, and misalignment aberrations. This thesis presents an investigation and study of image enhancement. The goal of this thesis was approached in two different directions. Initially, we investigated the sources of the imperfections. We propose methods to eliminate or minimize aberrations introduced during the image acquisition by optimizing the acquisition conditions. The impact on the resolution as a result of using a coverslip the thickness of which is mismatched with the one that the objective lens is designed for was shown and a novel technique was introduced in order to define the proper value on the correction collar of the lens. The amoimt of spherical aberration with regard to t he numerical aperture of the objective lens was investigated and it was shown that, based on the purpose of our imaging tasks, different numerical apertures must be used. The deformed beam cross section of the single-photon excitation source was corrected and the enhancement of the resolution and image quaUty was shown. Furthermore, the dependency of the scattered light on the excitation wavelength was shown empirically. In the second part, we continued the study of the image enhancement process by deconvolution techniques. Although deconvolution algorithms are used widely to improve the quality of the images, how well a deconvolution algorithm responds highly depends on the point spread function (PSF) of the imaging system applied to the algorithm and the level of its accuracy. We investigated approaches that can be done in order to obtain more precise PSF. Novel methods to improve the pattern of the PSF and reduce the noise are proposed. Furthermore, multiple soiu'ces to extract the PSFs of the imaging system are introduced and the empirical deconvolution results by using each of these PSFs are compared together. The results confirm that a greater improvement attained by applying the in situ PSF during the deconvolution process.

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.

Développement d’un système de spectroscopie infrarouge résolue temporellement pour la quantification des concentrations d’hémoglobine cérébrale

L’étude du cerveau humain est un domaine en plein essor et les techniques non-invasives de l’étudier sont très prometteuses. Afin de l’étudier de manière non-invasive, notre laboratoire utilise principalement l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’imagerie optique diffuse (IOD) continue pour mesurer et localiser l’activité cérébrale induite par une tâche visuelle, cognitive ou motrice. Le signal de ces deux techniques repose, entre autres, sur les concentrations d’hémoglobine cérébrale à cause du couplage qui existe entre l’activité neuronale et le flux sanguin local dans le cerveau. Pour être en mesure de comparer les deux signaux (et éventuellement calibrer le signal d’IRMf par l’IOD), où chaque signal est relatif à son propre niveau de base physiologique inconnu, une nouvelle technique ayant la capacité de mesurer le niveau de base physiologique est nécessaire. Cette nouvelle technique est l’IOD résolue temporellement qui permet d’estimer les concentrations d’hémoglobine cérébrale. Ce nouveau système permet donc de quantifier le niveau de base physiologique en termes de concentrations d’hémoglobine cérébrale absolue. L’objectif général de ma maîtrise était de développer un tel système afin de l’utiliser dans une large étude portant sur la condition cardiovasculaire, le vieillissement, la neuroimagerie ainsi que les performances cognitives. Il a fallu tout d’abord construire le système, le caractériser puis valider les résultats avant de pouvoir l’utiliser sur les sujets de recherche. La validation s’est premièrement réalisée sur des fantômes homogènes ainsi qu’hétérogènes (deux couches) qui ont été développés. La validation des concentrations d’hémoglobine cérébrale a été réalisée via une tâche cognitive et appuyée par les tests sanguins des sujets de recherche. Finalement, on présente les résultats obtenus dans une large étude employant le système d’IOD résolue temporellement en se concentrant sur les différences reliées au vieillissement.

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.

Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Localisation des aires cérébrales impliquées dans le rappel de mots : validation d’un protocole d’imagerie optique

Jusqu'à récemment, les patients souffrant d'épilepsie réfractaire aux traitements médicamenteux étaient destinés à un avenir incertain. Le recours à la chirurgie comme traitement alternatif offre l'espoir de mener un jour une vie normale. Pour déterminer si un patient peut bénéficier d’une intervention chirurgicale, une évaluation complète est cruciale. Les méthodes d’évaluation préchirurgicale ont connu des progrès importants au cours des dernières décennies avec le perfectionnement des techniques d’imagerie cérébrale. Parmi ces techniques, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR), aussi connue sous le nom d’imagerie optique, présente de nombreux avantages (coût, mobilité du participant, résolution spatiale et temporelle, etc.). L’objectif principal de cette étude est de développer un protocole d'évaluation préchirurgicale de la mémoire. Une tâche de mémoire verbale incluant l’encodage, le rappel immédiat et le rappel différé de listes de mots a été administrée à dix adultes sains lors d’un enregistrement en imagerie optique. Les résultats obtenus suggèrent l’activation bilatérale des aires préfrontales antérieures et dorsolatérales ainsi que des aires temporales antérieures et moyennes. Les aires préfrontales et temporales antérieures semblent modulées par les différents processus mnésiques et la position du rappel dans le temps. La première fois qu’une liste est rappelée, l’activité hémodynamique est plus élevée que lors des rappels subséquents, et ce, davantage dans l’hémisphère gauche que dans l’hémisphère droit. Cette étude constitue la première étape dans le processus de validation du protocole à des fins cliniques auprès de patients épileptiques.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

Stimulus Simplification and Object Representation: A Modeling Study

Tsunoda et al. (2001) recently studied the nature of object representation in monkey inferotemporal cortex using a combination of optical imaging and extracellular recordings. In particular, they examined IT neuron responses to complex natural objects and "simplified" versions thereof. In that study, in 42% of the cases, optical imaging revealed a decrease in the number of activation patches in IT as stimuli were "simplified". However, in 58% of the cases, "simplification" of the stimuli actually led to the appearance of additional activation patches in IT. Based on these results, the authors propose a scheme in which an object is represented by combinations of active and inactive columns coding for individual features. We examine the patterns of activation caused by the same stimuli as used by Tsunoda et al. in our model of object recognition in cortex (Riesenhuber 99). We find that object-tuned units can show a pattern of appearance and disappearance of features identical to the experiment. Thus, the data of Tsunoda et al. appear to be in quantitative agreement with a simple object-based representation in which an object's identity is coded by its similarities to reference objects. Moreover, the agreement of simulations and experiment suggests that the simplification procedure used by Tsunoda (2001) is not necessarily an accurate method to determine neuronal tuning.

A solar storm observed from the Sun to Venus using the STEREO, Venus Express, and MESSENGER spacecraft

The suite of SECCHI optical imaging instruments on the STEREO-A spacecraft is used to track a solar storm, consisting of several coronal mass ejections (CMEs) and other coronal loops, as it propagates from the Sun into the heliosphere during May 2007. The 3-D propagation path of the largest interplanetary CME (ICME) is determined from the observations made by the SECCHI Heliospheric Imager (HI) on STEREO-A (HI-1/2A). Two parts of the CME are tracked through the SECCHI images, a bright loop and a V-shaped feature located at the rear of the event. We show that these two structures could be the result of line-of-sight integration of the light scattered by electrons located on a single flux rope. In addition to being imaged by HI, the CME is observed simultaneously by the plasma and magnetic field experiments on the Venus Express and MESSENGER spacecraft. The imaged loop and V-shaped structure bound, as expected, the flux rope observed in situ. The SECCHI images reveal that the leading loop-like structure propagated faster than the V-shaped structure, and a decrease in in situ CME speed occurred during the passage of the flux rope.We interpret this as the result of the continuous radial expansion of the flux rope as it progressed outward through the interplanetary medium. An expansion speed in the radial direction of ~30 km s-1 is obtained directly from the SECCHI-HI images and is in agreement with the difference in speed of the two structures observed in situ. This paper shows that the flux rope location can be determined from white light images, which could have important space weather applications.

Complex spatiotemporal haemodynamic response following sensory stimulation in the awake rat

Detailed understanding of the haemodynamic changes that underlie non-invasive neuroimaging techniques such as blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging is essential if we are to continue to extend the use of these methods for understanding brain function and dysfunction. The use of animal and in particular rodent research models has been central to these endeavours as they allow in-vivo experimental techniques that provide measurements of the haemodynamic response function at high temporal and spatial resolution. A limitation of most of this research is the use of anaesthetic agents which may disrupt or mask important features of neurovascular coupling or the haemodynamic response function. In this study we therefore measured spatiotemporal cortical haemodynamic responses to somatosensory stimulation in awake rats using optical imaging spectroscopy. Trained, restrained animals received non-noxious stimulation of the whisker pad via chronically implanted stimulating microwires whilst optical recordings were made from the contralateral somatosensory cortex through a thin cranial window. The responses we measure from un-anaesthetised animals are substantially different from those reported in previous studies which have used anaesthetised animals. These differences include biphasic response regions (initial increases in blood volume and oxygenation followed by subsequent decreases) as well as oscillations in the response time series of awake animals. These haemodynamic response features do not reflect concomitant changes in the underlying neuronal activity and therefore reflect neurovascular or cerebrovascular processes. These hitherto unreported hyperemic response dynamics may have important implications for the use of anaesthetised animal models for research into the haemodynamic response function.

Early and late stimulus-evoked cortical hemodynamic responses provide insight into the neurogenic nature of neurovascular coupling

Understanding neurovascular coupling is a prerequisite for the interpretation of results obtained from modern neuroimaging techniques. This study investigated the hemodynamic and neural responses in rat somatosensory cortex elicited by 16 seconds electrical whisker stimuli. Hemodynamics were measured by optical imaging spectroscopy and neural activity by multichannel electrophysiology. Previous studies have suggested that the whisker-evoked hemodynamic response contains two mechanisms, a transient ‘backwards’ dilation of the middle cerebral artery, followed by an increase in blood volume localized to the site of neural activity. To distinguish between the mechanisms responsible for these aspects of the response, we presented whisker stimuli during normocapnia (‘control’), and during a high level of hypercapnia. Hypercapnia was used to ‘predilate’ arteries and thus possibly ‘inhibit’ aspects of the response related to the ‘early’ mechanism. Indeed, hemodynamic data suggested that the transient stimulus-evoked response was absent under hypercapnia. However, evoked neural responses were also altered during hypercapnia and convolution of the neural responses from both the normocapnic and hypercapnic conditions with a canonical impulse response function, suggested that neurovascular coupling was similar in both conditions. Although data did not clearly dissociate early and late vascular responses, they suggest that the neurovascular coupling relationship is neurogenic in origin.

Temporal coupling between stimulus-evoked neural activity and hemodynamic responses from individual cortical columns

Using previously published data from the whisker barrel cortex of anesthetized rodents (Berwick et al 2008 J. Neurophysiol. 99 787–98) we investigated whether highly spatially localized stimulus-evoked cortical hemodynamics responses displayed a linear time-invariant (LTI) relationship with neural activity. Presentation of stimuli to individual whiskers of 2 s and 16 s durations produced hemodynamics and neural activity spatially localized to individual cortical columns. Two-dimensional optical imaging spectroscopy (2D-OIS) measured hemoglobin responses, while multi-laminar electrophysiology recorded neural activity. Hemoglobin responses to 2 s stimuli were deconvolved with underlying evoked neural activity to estimate impulse response functions which were then convolved with neural activity evoked by 16 s stimuli to generate predictions of hemodynamic responses. An LTI system more adequately described the temporal neuro-hemodynamics coupling relationship for these spatially localized sensory stimuli than in previous studies that activated the entire whisker cortex. An inability to predict the magnitude of an initial 'peak' in the total and oxy- hemoglobin responses was alleviated when excluding responses influenced by overlying arterial components. However, this did not improve estimation of the hemodynamic responses return to baseline post-stimulus cessation.

Negative blood oxygen level dependence in the rat: a model for investigating the role of suppression in neurovascular coupling

Modern neuroimaging techniques rely on neurovascular coupling to show regions of increased brain activation. However, little is known of the neurovascular coupling relationships that exist for inhibitory signals. To address this issue directly we developed a preparation to investigate the signal sources of one of these proposed inhibitory neurovascular signals, the negative blood oxygen level-dependent (BOLD) response (NBR), in rat somatosensory cortex. We found a reliable NBR measured in rat somatosensory cortex in response to unilateral electrical whisker stimulation, which was located in deeper cortical layers relative to the positive BOLD response. Separate optical measurements (two-dimensional optical imaging spectroscopy and laser Doppler flowmetry) revealed that the NBR was a result of decreased blood volume and flow and increased levels of deoxyhemoglobin. Neural activity in the NBR region, measured by multichannel electrodes, varied considerably as a function of cortical depth. There was a decrease in neuronal activity in deep cortical laminae. After cessation of whisker stimulation there was a large increase in neural activity above baseline. Both the decrease in neuronal activity and increase above baseline after stimulation cessation correlated well with the simultaneous measurement of blood flow suggesting that the NBR is related to decreases in neural activity in deep cortical layers. Interestingly, the magnitude of the neural decrease was largest in regions showing stimulus-evoked positive BOLD responses. Since a similar type of neural suppression in surround regions was associated with a negative BOLD signal, the increased levels of suppression in positive BOLD regions could importantly moderate the size of the observed BOLD response.

Theory and generalization of Monte Carlo models of the BOLD signal source

The dependency of the blood oxygenation level dependent (BOLD) signal on underlying hemodynamics is not well understood. Building a forward biophysical model of this relationship is important for the quantitative estimation of the hemodynamic changes and neural activity underlying functional magnetic resonance imaging (fMRI) signals. We have developed a general model of the BOLD signal which can model both intra- and extravascular signals for an arbitrary tissue model across a wide range of imaging parameters. The model of the BOLD signal was instantiated as a look-up-table (LuT), and was verified against concurrent fMRI and optical imaging measurements of activation induced hemodynamics. Magn Reson Med, 2008. © 2008 Wiley-Liss, Inc.

A three-compartment model of the hemodynamic response and oxygen delivery to brain

We describe a mathematical model linking changes in cerebral blood flow, blood volume and the blood oxygenation state in response to stimulation. The model has three compartments to take into account the fact that the cerebral blood flow and volume as measured concurrently using laser Doppler flowmetry and optical imaging spectroscopy have contributions from the arterial, capillary as well as the venous compartments of the vasculature. It is an extension to previous one-compartment hemodynamic models which assume that the measured blood volume changes are from the venous compartment only. An important assumption of the model is that the tissue oxygen concentration is a time varying state variable of the system and is driven by the changes in metabolic demand resulting from changes in neural activity. The model takes into account the pre-capillary oxygen diffusion by flexibly allowing the saturation of the arterial compartment to be less than unity. Simulations are used to explore the sensitivity of the model and to optimise the parameters for experimental data. We conclude that the three-compartment model was better than the one-compartment model at capturing the hemodynamics of the response to changes in neural activation following stimulation.