Optical molecular structural imaging of myelin in a multiple sclerosis context: Polarization dependence coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy

Being able to visualize new pathogenic features is a gold standard in the biological imag- ing community. The principal goal of this master’s project is to develop a new optical microscopy modality capable of characterizing myelin molecular structural integrity in vivo. This tool is to be used in multiple sclerosis research. Using the polarization de- pendence of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), we were able to quantify the degree of myelin ordering. Mapping this ordering for every pixels in an image results in molecular structural imaging. Optical molecular structural imaging is, to some ex- tent, similar to electron microscopy, but has the distinct advantage that it can be used on thick and live tissue which provides better context. The index describing myelin ordering is the amplitude modulation. After a full analysis of the amplitude modula- tion, myelin molecular structural imaging was used to study the EAE animal model of multiple sclerosis. A new type of focal myelin membrane disruption was identified. No other existing technique can describe the myelin molecular structure at such a large scale and in live biological tissue. Myelin molecular imaging was also applied to study the spinal cord development in zebrafish. We were able to quantitatively describe a fine but nonetheless generalized reorganization of the myelin sheath through early stages of development although no microscopic morphological changes were apparent. This capacity of observing subtle myelin modification will certainly reveal itself useful in the monitoring of remyelination.Pouvoir visualiser de nouveaux éléments pathogéniques est un but standard dans la monde de l’imagerie médicale. L’objectif principal de ce projet de maîtrise est le développement d’une modalité en microscopie optique qui permet la caractérisation de l’intégrité de la structure moléculaire de la myéline in vivo. Cet outil sera utilisé pour la recherche sur la sclérose en plaques. En utilisant la dépendance en polarisation présente en diffusion Raman cohérente, nous avons été en mesure de quantifier le degré d’ordre de la myéline. Représenter cet ordre à tous les pixels d’une image résulte en imagerie de la structure moléculaire. L’imagerie de la structure moléculaire de la myé- line est similaire à la microscopie électronique, sauf qu’elle peut être appliquée sur des tissus biologiques épais et vivants. L’indice qui décrit l’organisation de la myéline est l’amplitude de modulation. L’imagerie de la structure moléculaire a été utilisée pour étudier le modèle animal EAE de la sclérose en plaques. Un nouveau type de lésions focales de la membrane de myéline a été identifié. Aucune autre technique existante permet une description de l’organisation moléculaire de la myéline à une si grande échelle dans du tissu vivant. L’imagerie de la structure moléculaire de la myéline a aussi été utilisée pour l’étude du développement de la moelle épinière de dard-perches (zebrafish), une espèce de poisson, et pour évaluer l’impact de certaines drogues sur ce dernier. Nous avons pu mesurer une fine, mais néanmoins généralisée, réorganisation de la membrane de myéline et ce malgré l’absence de modification morphologique. Cette capacité d’observer de subtiles modifications de la myéline se révélera certainement utile pour l’étude de la remyélinisation