Photostimulation électro-optique de cellules neuronales – Vers un traitement optique de maladies neurodégénératives par photostimulation de cellules excitables électriquement avec des impulsions laser dans le proche infrarouge

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Photostimulation électro-optique de cellules neuronales –

Vers un traitement optique de maladies neurodégénératives par photostimulation de cellules excitables électriquement avec des impulsions laser dans le proche infrarouge
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Biologie, médecine, sant
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Institut de recherche XLIM
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Présentation de l’équipe de recherche
Equipe de recherche BioEpiX
Chef d’équipe: Rodney O’ Connor
Permanents de l’équipe: Philippe Lévêque, Délia Arnaud-Cormos, Vincent Couderc, Claire Lefort
Post-doctorants: Sergii Romanenko, Sylvia Bardet-Coste
Doctorant: Lynn Carr, Malak Soueid

Résumé de la thèse en français
L’idée est de tester la capacité de rayonnements laser à stimuler l’activité électrique de neurones pour aller vers l’obtention d’un nouveau traitement optique de maladies neurodégénératives. A l’heure actuelle, il y a très peu de traitement de ces maladies. Cette thématique est donc très fortement demandeuse de chercheur à l’interface entre plusieurs disciplines, comme peut en témoigner la multitude d’appels d’offre sur ces thèmes. Actuellement, la recherche dans ce domaine est limitée par le recours à l’implantation de gènes extérieurs photosensibles sur les cellules cible, les rendant sensibles à certains types de rayonnements laser. Cette approche est connue sous le nom de «opto-génétique». Mais cette technique très invasive (recours à l’implantation de gènes sur les cellules cibles) ne peut donc pas être appliquée dans le cas d’un traitement in vivo.

L’alternative consiste à ne pas avoir recours à l’ajout de gènes extérieurs. Cette technique n’est probablement pas possible sur tous les types de neurones. Cette approche est beaucoup plus intéressante dans le cadre d’un traitement thérapeutique in vivo, faisant l’objet d’une très forte demande de la part des neurochirurgiens. Elle est cependant méconnue de par l’utilisation de radiations dans le proche infrarouge.

Peu de physiciens se sont attachés à travailler sur ce sujet et un manque flagrant de leur expertise apparaît aujourd’hui.

Quel est l’impact d’un rayonnement laser dans le proche infrarouge sur les neurones? Y a-t-il une différence avec l’impact de ce même rayonnement sur différentes cellules?

Résumé de la thèse en anglais
The idea is to test the ability of laser radiation to stimulate the electrical activity of neurons with the goal of developing new optical treatments of neurodegenerative diseases. At present, there is very little in the way of treatment available for these diseases. This theme is strongly requesting a researcher at the interface between several disciplines, as can attest to the multitude of bidding on these topics. Currently, research in this area is limited by the use of the implementation of sensitive genes outside the target cells, making them susceptible to certain types of laser radiation. This approach is known as the « opto-genetics ». But this very invasive technique (using the transfer of genes from bacteria or algae into target human neurons) therefore can not be applied in the case of in vivo human treatment.

The alternative is not to add external genes but to stimulate neurons directly with light. This approach is much more interesting in the context of a therapeutic treatment in vivo, subject to a strong demand from neurosurgeons. However, it is unknown due to the use of radiation in the near infrared.

Few physicists are committed to working on this and a lack of expertise curently exists.

The questions addressed by this thesis include: What is the impact of laser radiation in the near infrared on the electrical activity of neurons?

Description complète du sujet de thèse
Dans le cadre du Labex Sigma-LIM, le laboratoire XLIM bénéficie d’une chaire d’excellence scientifique «santé». Les thématiques autour de la santé, à l’interface entre la biologie, la photonique, l’électromagnétisme et la médecine sont possibles grâce à la réunion entre des spécialistes de ces domaines au sein de l’équipe BioEpiX, dirigée par Rodney O’Connor.
Dans un premier temps, le travail de l’étudiant consistera à tester l’impact du rayonnement laser stimulant sur la perméabilisation ou sur la photoporation de la membrane plasmique de neurones. En effet, le rayonnement laser modifie les cellules biologiques par le biais, entre autres, de la perméabilisation de leur membrane. Le stimulus sera un rayonnement laser dans les proche infrarouge, acheminé par fibre optique jusqu’à la cible et dont les paramètres devront être maîtrisés. L’étudiant devra donc imaginer un montage optique permettant de faire cette stimulation.

Ce travail se fera tout d’abord à une longueur d’onde définie. Les paramètres variables du stimulus seront le temps d’administration et la puissance moyenne du signal appliqué.
Pour aller plus loin une étude en longueur d’onde d’excitation sera indispensable au vu de la variété très grande longueur d’onde d’excitation utilisée dans la littérature. Une combinaison de tous les paramètres (longueur d’onde, durée d’exposition, puissance moyenne) sera alors nécessaire et un certain protocole expérimental devrait être établi pour définir la réponse neurones sous stimuli laser.
A plus long terme, l’idée est de corréler l’excitation laser avec la réponse électrique de neurones. Une étude de la réponse neurophysiologique à une stimulation laser est indispensable. L’une des idées pourrait être de retrouver l’activité de ces neurones, à partir de cellules nerveuses connues comme étant inactives suite à une pathologie.

Objectifs scientifiques de la thèse
L’objectif est de définir les paramètres idéaux d’un rayonnement pour stimuler l’activité électrique de neurones. L’objectif est d’aller vers l’obtention d’un nouveau traitement optique de maladies neurodégénératives. Plusieurs montages optiques devront être mis en place pour pouvoir effectuer ces excitations optiques avec de multiples paramètres variables. L’influence de la durée de ces impulsions sera évaluée.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issu de cette thèse, le jeune docteur aura acquis de fortes compétences en optique linéaire et non-linéaire, ce qui représentera le cœur de son métier. Il maitrisera différentes techniques de microscopie (linéaire et non linéaire). Il aura aussi acquis des compétences en électromagnétisme, en électrophysiologie, en neurologie et en physiologie.

Mots clés (séparés par des virgules)
Excitation optique, cellules excitables électriquement, traitement de maladies neurodégénératives, optique linéaire et non linéaire, électromagnétisme, électrophysiologie, neurologie, microscopie.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
Rodney O’ Connor (directeur de thèse)

Adresse mail du directeur de thèse : rodney.oconnor@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 55 87 67 17

Co-directeur de thèse
Claire Lefort (co-encadrante)
Adresse mail du co-directeur de thèse : claire.lefort@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 87 67 50

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