Stratégies génétiques de restauration visuelle corticale chez le rat et le primate non-humain - Institut de la vision
Thèse Année : 2022

Genetic-based approaches for cortical visual restoration in rats and non-human primates

Stratégies génétiques de restauration visuelle corticale chez le rat et le primate non-humain

Matthieu Provansal

Résumé

Cortical stimulation of the primary visual cortex (V1) is a promising therapy for restoring vision in the case of pathologies resulting in optic nerve degeneration. Previous studies have demonstrated the efficiency of electrical cortical prostheses in restoring shape vision, but these prostheses rely on the invasive use of electrodes resulting in a gradual loss of restored vision. Optogenetics and sonogenetics are techniques that render neurons sensitive to light and ultrasound waves respectively. These cortical therapies could be alternative solutions because they would stimulate V1 from its surface. To validate them, it is necessary to select a viral vector leading to an effective expression of the transgene within the targeted neurons, to ensure that the stimulations of the opsin or the mechanosensitive channel allow a selective activation of the targeted area and to demonstrate by a behavioral task that stimulation induces true vision. I first established the proof of concept of the optogenetic strategy of visual restoration in rodents. The results obtained by functional ultrasound imaging (fUS) and multi-electrode unit recordings show that surface stimulation of V1 in anesthetized rats expressing the red-shifted ChrimsonR opsin leads to neuronal activation down to the deep cortical layers, even at low irradiance. Moreover, the activity initiated within V1 spreads to other visual areas. In parallel, I participated in demonstrating the proof of concept of the sonogenetic strategy in rodents. V1 stimulation induces neuronal activation with a spatial (400 µm) and temporal (10 ms, 13 Hz) resolution consistent with visual restoration. The latencies of the sonogenetic responses are also lower than those following a light stimulus, which is consistent with direct cortical activation. Similarly, the latency of the behavioral response associated with a sonogenetic stimulation of the visual cortex is lower than when induced by visual perception. Besides, in the perspective of a clinical application of the sonogenetic strategy, I started the characterization of cortical areas under the recording chamber of non-human primates using electrophysiological recordings and fUS imaging. This led me to identify the contribution of single-unit activities within the variations of cerebral blood volume (CBV). We performed co-recordings in two animals within the primary visual and fronto-median cortices during behavioral tasks. To this aim, we developed an innovative device allowing the combination of fUS imaging and electrophysiological recordings, and online tracking of the insertion of an electrode into the brain. Our results also show that single-unit activities and CBV variations are not statistically correlated during periods of spontaneous activity but become so during behavioral tasks. The component of CBV variations due to single-unit activities is less than 1 mm3. Finally, I carried out preparatory work for the application of sonogenetic therapy in non-human primates. I validated the efficiency of the AAV9-7m8-CaMKII-MscL-G22S-tdTomato viral vector in two animals. In addition, I characterized V1 retinotopy in the recording chamber of a first animal using fUS imaging. In parallel, we trained this animal as well as two other monkeys to perform a detection task of visual targets. Using this set of results, we determined for this first animal a region of the visual cortex that is relevant for the physiological and behavioral validation of sonogenetic therapy, in which we injected the AAV9-7m8-CaMKII-MscL-G22S-tdTomato viral vector. Altogether, this work opens a perspective of physiological and behavioral validation of sonogenetic cortical therapy in non-human primates.
La stimulation corticale du cortex visual primaire (V1) est une thérapie prometteuse pour restaurer la vision dans le cas de pathologies entraînant une dégénérescence du nerf optique. Des études précédentes ont démontré l’efficacité des prothèses corticales électriques pour restaurer la vision de formes, mais ces prothèses reposent sur l’utilisation invasive d’électrodes résultant en une perte progressive de la vision restaurée. L’optogénétique et la sonogénétique sont des techniques permettant de rendre sensibles les neurones à des ondes respectivement lumineuses et ultrasonores. Ces thérapies corticales pourraient être des solutions alternatives car elles permettraient de stimuler V1 depuis sa surface. Pour les valider, il est nécessaire de sélectionner un vecteur viral conduisent à une expression efficace du transgène au sein des neurones ciblés, s’assurer que les stimulations de l’opsine ou du canal mécanosensible permettent une activation sélective de l’aire ciblée et démontrer par une tâche comportementale que la stimulation induit une véritable vision. Sur des rongeurs, j’ai dans un premier temps établi la preuve de concept de la stratégie optogénétique de restauration visuelle. Les résultats obtenus par l’imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS) et d’enregistrements unitaires multi-électrodes montrent que la stimulation chez le rat anesthésié en surface de V1 exprimant l’opsine ChrimsonR sensible à la lumière rouge conduit à l’activation neuronale jusque dans les couches corticales profondes, même à faible irradiance. De plus, l’activité initiée au sein de V1 se propage aux autres aires visuelles. En parallèle, j’ai participé à apporter la preuve de concept de la stratégie sonogénétique chez le rongeur. Suite à l’expression d’un canal mécanosensible, la stimulation ultrasonore de V1 induit une activation neuronale avec une résolution spatiale (400 µm) et temporelle (10 ms, 13 Hz) compatible avec la restauration visuelle. Les latences des réponses corticales sont inférieures à celles des réponses visuelles naturelles. De même la latence de la réponse comportementale associée à la stimulation sonogénétique du cortex visuel est inférieure à celle induite par la perception visuelle. Dans la perspective d’une application clinique, j’ai amorcé la caractérisation d’aires corticales de primates non-humains. Ce travail abordé par une approche d’électrophysiologie et d’imagerie ultrasonore m’a amené à identifier la contribution des activités neuronales unitaires au sein des variations de volume sanguin cérébral (CBV). Par une approche innovante, nous avons réalisé des co-enregistrements chez deux animaux au sein des cortex visuel primaire et fronto-médians lors de tâches comportementales en suivant en temps réel de l’insertion d’une électrode dans le cerveau. Nos résultats montrent également que les activités unitaires et les variations de CBV ne sont statistiquement pas corrélées pendant les périodes d’activité spontanées mais le deviennent lors des tâches comportementales. La composante des variations de CBV dues à l’activité unitaire isolée est inférieure à 1 mm3. Enfin, j’ai réalisé des travaux préparatoires pour l’application de la thérapie sonogénétique chez le primate non-humain. J’ai ainsi validé l’efficacité du vecteur viral AAV9-7m8-CaMKII-MscL-G22S-tdTomato chez deux animaux. De plus, j’ai caractérisé par imagerie ultrasonore la rétinotopie de la chambre d’enregistrement d’un premier animal. En parallèle, nous avons entraîné cet animal ainsi que deux autres singes à réaliser une tâche de détection de cibles visuelles. Ces résultats ont déterminé où injecter le vecteur AAV9-7m8-CaMKII-MscL-G22S-tdTomato dans une région du cortex visuelle pertinente pour la validation physiologique et comportementale de la thérapie sonogénétique. En résumé, l’ensemble de mes travaux ouvre une perspective de validation physiologique et comportementale de la thérapie corticale sonogénétique chez le primate non-humain.
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  • HAL Id : tel-04810232 , version 1

Citer

Matthieu Provansal. Stratégies génétiques de restauration visuelle corticale chez le rat et le primate non-humain. Organes des sens. Sorbonne Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022SORUS539⟩. ⟨tel-04810232⟩
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