High-fidelity multimode fibre-based endoscopy for deep brain in vivo imaging

Progress in neuroscience relies on new techniques for investigating the complex dynamics of neuronal networks. An ongoing challenge is to achieve minimally invasive and high-resolution observations of neuronal activity in vivo inside deep brain areas. Recently introduced methods for holographic control of light propagation in complex media enable the use of a hair-thin multimode optical fibre as an ultranarrow imaging tool. Compared to endoscopes based on graded-index lenses or fibre bundles, this new approach offers a footprint reduction exceeding an order of magnitude, combined with a significant enhancement in resolution. We designed a compact and high-speed system for fluorescent imaging at the tip of a fibre, achieving a resolution of 1.18 ± 0.04 µm across a 50-µm field of view, yielding 7-kilopixel images at a rate of 3.5 frames/s. Furthermore, we demonstrate in vivo observations of cell bodies and processes of inhibitory neurons within deep layers of the visual cortex and hippocampus of anaesthetised mice. This study paves the way for modern microscopy to be applied deep inside tissues of living animal models while exerting a minimal impact on their structural and functional properties

Impact of endogenous synaptic activities on the cellular excitability and the cortical sensory processing : contributions of the isoelectric state

Le cerveau génère spontanément des activités électriques enregistrables à toutes les échelles spatiales, de l'électroencéphalogramme (EEG) jusqu'à la membrane neuronale. La fréquence et l'amplitude de ces activités varient en fonction des états de vigilance. Afin de comprendre comment cette activité synaptique endogène sculpte à chaque instant l'intégration des événements exogènes, j'ai mis au point une nouvelle stratégie expérimentale in vivo visant à comparer les réponses neuronales à divers stimuli, en présence et en absence d'activité endogène. J'ai généré, chez le rat, une activité de type éveil ou sommeil puis, j'ai induit un état isoélectrique durant lequel toute activité spontanée était supprimée. J'ai montré que la suppression de l'activité synaptique dans les neurones du cortex somatosensoriel induisait une diminution de sensibilité neuronale et un accroissement de la régularité des réponses. La persistance d'une excitabilité neuronale dans cet état de coma profond m'a conduit à poursuivre mes recherches avec le service de réanimation neurologique afin d'explorer, chez des patients placés dans un tel coma, la réactivité corticale à des stimulations sensorielles. J'ai démontré chez l'homme et l'animal la persistance de potentiels évoqués sensoriels dans l'EEG et les neurones corticaux. Ces réponses apparaissaient plus tardivement, avec une amplitude plus importante et une plus grande fiabilité d'un essai à l'autre. Ainsi, il apparaît que l'activité synaptique spontanée, qui caractérise le fonctionnement " normal " du cerveau, a essentiellement comme effet d'augmenter la sensibilité des neurones ainsi que la variabilité statistique des réponses à l'environnement.The brain spontaneously generates electrical activities, which can be recorded at all the spatial level, from the electroencephalogram (EEG) to the neuronal membrane. The frequency and the amplitude of these activities vary with the states of vigilance. To understand how this endogenous synaptic activity sculpts the integration of exogenous events, I developed a new in vivo experimental strategy to compare the cortical neuronal responses to various stimuli in the presence and absence of endogenous activity. I generated a waking-like or sleep-like synaptic activity in the rat. Then, I induced an isoelectric state in which spontaneous activity was completely suppressed. I showed that the suppression of synaptic activity in somatosensory cortex neurons resulted in a decrease in neuronal sensitivity and an increase in the regularity of responses to repeated identical stimuli. The persistence of neuronal excitability while the animal was immersed in a deep comatose led me to continue my research in collaboration with the neurological intensive care unit to explore the sensory-evoked cortical responses in patients exhibiting an isoelectric EEG. I demonstrated in humans and animals the persistence of sensory-evoked potentials in the EEG and individual cortical neurons. These cortical responses occurring in the absence of spontaneous brain activity had an augmented latency, a larger amplitude and a higher trial-to-trial reliability. It thus seems that the primary effect of the sustained background synaptic activity, the hallmark of a "normal" functioning of the brain, is to increase the sensitivity of neurons and the statistical variability of responses to the environment

Impact des activités synaptiques endogènes sur l'excitabilité cellulaire et le traitement sensoriel cortical : apports de l'état isoélectrique

The brain spontaneously generates electrical activities, which can be recorded at all the spatial level, from the electroencephalogram (EEG) to the neuronal membrane. The frequency and the amplitude of these activities vary with the states of vigilance. To understand how this endogenous synaptic activity sculpts the integration of exogenous events, I developed a new in vivo experimental strategy to compare the cortical neuronal responses to various stimuli in the presence and absence of endogenous activity. I generated a waking-like or sleep-like synaptic activity in the rat. Then, I induced an isoelectric state in which spontaneous activity was completely suppressed. I showed that the suppression of synaptic activity in somatosensory cortex neurons resulted in a decrease in neuronal sensitivity and an increase in the regularity of responses to repeated identical stimuli. The persistence of neuronal excitability while the animal was immersed in a deep comatose led me to continue my research in collaboration with the neurological intensive care unit to explore the sensory-evoked cortical responses in patients exhibiting an isoelectric EEG. I demonstrated in humans and animals the persistence of sensory-evoked potentials in the EEG and individual cortical neurons. These cortical responses occurring in the absence of spontaneous brain activity had an augmented latency, a larger amplitude and a higher trial-to-trial reliability. It thus seems that the primary effect of the sustained background synaptic activity, the hallmark of a "normal" functioning of the brain, is to increase the sensitivity of neurons and the statistical variability of responses to the environment.Le cerveau génère spontanément des activités électriques enregistrables à toutes les échelles spatiales, de l'électroencéphalogramme (EEG) jusqu'à la membrane neuronale. La fréquence et l'amplitude de ces activités varient en fonction des états de vigilance. Afin de comprendre comment cette activité synaptique endogène sculpte à chaque instant l'intégration des événements exogènes, j'ai mis au point une nouvelle stratégie expérimentale in vivo visant à comparer les réponses neuronales à divers stimuli, en présence et en absence d'activité endogène. J'ai généré, chez le rat, une activité de type éveil ou sommeil puis, j'ai induit un état isoélectrique durant lequel toute activité spontanée était supprimée. J'ai montré que la suppression de l'activité synaptique dans les neurones du cortex somatosensoriel induisait une diminution de sensibilité neuronale et un accroissement de la régularité des réponses. La persistance d'une excitabilité neuronale dans cet état de coma profond m'a conduit à poursuivre mes recherches avec le service de réanimation neurologique afin d'explorer, chez des patients placés dans un tel coma, la réactivité corticale à des stimulations sensorielles. J'ai démontré chez l'homme et l'animal la persistance de potentiels évoqués sensoriels dans l'EEG et les neurones corticaux. Ces réponses apparaissaient plus tardivement, avec une amplitude plus importante et une plus grande fiabilité d'un essai à l'autre. Ainsi, il apparaît que l'activité synaptique spontanée, qui caractérise le fonctionnement " normal " du cerveau, a essentiellement comme effet d'augmenter la sensibilité des neurones ainsi que la variabilité statistique des réponses à l'environnement

Integrative properties and transfer function of cortical neurons initiating absence seizures in a rat genetic model

International audienceEpileptic seizures result from aberrant cellular and/or synaptic properties that can alter the capacity of neurons to integrate and relay information. During absence seizures, spike-and-wave discharges (SWDs) interfere with incoming sensory inputs and preclude conscious experience. The Genetic Absence Epilepsy Rats from Strasbourg (GAERS), a well-established animal model of absence epilepsy, allows exploring the cellular basis of this impaired information processing. Here, by combining in vivo electrocorticographic and intracellular recordings from GAERS and control animals, we investigated how the pro-ictogenic properties of seizure-initiating cortical neurons modify their integrative properties and input-output operation during inter-ictal periods and during the spike (S-) and wave (W-) cortical patterns alternating during seizures. In addition to a sustained depolarization and an excessive firing rate in between seizures, ictogenic neurons exhibited a pronounced hyperpolarization-activated depolarization compared to homotypic control neurons. Firing frequency versus injected current relations indicated an increased sensitivity of GAERS cells to weak excitatory inputs, without modifications in the trial-to-trial variability of current-induced firing. During SWDs, the W-component resulted in paradoxical effects in ictogenic neurons, associating an increased membrane input resistance with a reduction in the current-evoked firing responses. Conversely, the collapse of cell membrane resistance during the S-component was accompanied by an elevated current-evoked firing relative to W-sequences, which remained however lower compared to inter-ictal periods. These findings show a dynamic modulation of ictogenic neurons intrinsic properties that may alter inter-seizure cortical function and participate to compromise information processing in cortical networks during absences