2P optogenetics : simulation and modeling for optimized thermal dissipation and current integration
Optogénétique 2P : optimisation thermique et électrophysiologique par simulation et modélisation
Résumé
Over the past fifteen years, optogenetics has revolutionized neuroscience research by enabling control of neuronal circuits. The recent development of several illumination approaches, combined with new photosensitive proteins, opsins, have paved the way to neuronal control with the single-cell precision. The new ambition to use these approaches in order to activate tens, hundreds, thousands of cells in vivo has raised many questions, in particular concerning the possible photoinduced damages and the optimization of the choice of the illumination / opsin couple. During my PhD, I developed an experimentally verified simulation that calculates, under all actual illumination protocols, what will be the temperature rise in the brain tissue due to the absorption of light. In parallel, I modeled, from electrophysiology recordings, the intracellular currents observed during these photostimulations, for three different opsins, allowing me to simulate them. These models will allow the researchers to optimize their illumination protocols to keep heating as low as possible in the sample, while helping to generate optimized photocurrent dynamics according to experimental requirements.
Depuis maintenant quinze ans, l’optogénétique a bouleversé la recherche en neurosciences en permettant de contrôler les circuits neuronaux. Le développement récent de plusieurs approches d’illumination, combinées à de nouvelles protéines photosensibles, les opsines, ont permis d’ouvrir une voie vers le contrôle neuronale avec la précision de la cellule unique. L’ambition nouvelle d’utiliser ces approches afin d’activer des dizaines, centaines, milliers de cellules in vivo a soulevé de nombreuses questions, notamment concernant les possibles dégâts photoinduits et l’optimisation du choix du couple illumination/opsine. Lors de mon doctorat, j’ai conçu une simulation vérifiée expérimentalement qui permet de calculer, dans toutes les conditions actuelles d’illumination, quel sera l’échauffement au sein du tissus cérébral dû à l’absorption de la lumière par le cerveau. Parallèlement, j’ai paramétré à partir de données expérimentales des modèles de dynamique des populations, à partir d’enregistrements d’électrophysiologie, qui permettent de simuler les courants intracellulaires observés lors de ces photostimulations, pour trois protéines différentes. Ces modèles permettront les chercheurs d’optimiser leurs protocoles d’illumination afin de garantir l’échauffement le plus faible possible dans l’échantillon, tout en favorisant des dynamiques de photocourant adaptées aux besoins expérimentaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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