Stimulation sonogénétique pour la restauration visuelle

A current challenge for neuroscience is the development of new brain machine interfaces for various neurological diseases and sensory restoration requiring a high spatiotemporal resolution. In the case of visual restoration at the cortical level, visual prostheses generating direct cortical stimulations have proved able to elicit some form vision in blind patients but only for few months. Penetrating electrodes were found to require smaller currents for a higher spatial resolution but at the cost of invasiveness. Ultrasound (US) waves are well known for imaging purposes but can also be used to modulate neural activity. However, they suffer from a major drawback: higher spatial resolution requires greater acoustic intensity and causes potential side effects such as heating. To overcome this disadvantage, a recently developed strategy, Sonogenetic Therapy, has been proposed to increase neuronal sensitivity to US stimulation by expressing US sensitive proteins on cell membrane. Unfortunately, all in vivo attempts have, to date, failed to provide a high spatiotemporal resolution. The objective of this thesis is to investigate the potential of Sonogenetics as a neuro-stimulation strategy for vision restoration. In this work we identified a mechano-sensitive ion channel that can be expressed efficiently in retinal ganglion cells and in neurons of the visual cortex thanks to AAV viral vector gene delivery. The bacterial MscL channel (Mechano-sensitive channel of large conductance) opens rapidly when mechanical stress is applied to the cell membrane and is therefore likely to open in response to the cell membrane’s mechanical deformation induced by US pressure waves. Efficacy of the ultrasound activation has been investigated on the isolated rat retina. Optimal US stimulation parameters have been identified for the direct depolarization of MscL expressing retinal ganglion cells showing precise spatio-temporal features. We then expressed the same channel in neurons of the primary visual cortex to determine whether high frequency US was able to depolarize those cells in vivo. When neurons expressed the MscL channel, US was again able to directly activate neurons with the same spatio-temporal kinetics as retinal ganglion cells. We were able to target tiny cortical areas (0.35 mm2) providing a resolution of at least 0.4 mm. According to our thermal model, the temperature increase associated with the used acoustic parameters is negligible, indicating the safety of the technique. No US-evoked response was detected in cortical neurons from non-transfected animals. These results provide the proof of concept that this sonogenetic strategy offers a potential tool with adequate spatio-temporal resolution for vision restoration at the cortical level. Moreover, this strategy will likely spur the developement of a new form of brain machine interfaces to treat a wide range of neurological disorders.Un défi majeur des Neurosciences est le développement d’une interface cerveau-machine efficace pour diverses maladies neurologiques et la restauration sensorielle. Dans le cas de la restauration visuelle, des prothèses stimulant électriquement les aires visuelles corticales ont démontré chez les patients aveugles la possibilité de voir des formes mais uniquement pendant quelques mois. L’utilisation d’électrodes pénétrantes pour la stimulation permet d’obtenir une résolution spatiale plus élevée avec une injection de courant plus faible, mais cette stratégie devient très invasive. Les ondes ultrasonores sont bien connues pour leur application en imagerie mais peuvent également être utilisées pour moduler l’activité neurale de manière non invasive. Cependant, elles présentent un inconvénient majeur il n’est pas possible d’obtenir une résolution spatiale élevée sans augmenter l’intensité acoustique et provoquer d’éventuels effets secondaires comme l’échauffement des tissus ciblés. Pour remédier à cet inconvénient, une stratégie récente appelée Thérapie Sonogénétique a été proposée pour augmenter la sensibilité neuronale à la stimulation ultrasonore en exprimant des protéines sensibles aux ultrasons. Malheureusement, toutes les tentatives d’appliquer cette stratégie in vivo n’ont pas permis, pour le moment, d’obtenir une résolution spatiotemporelle élevée. L’objectif de cette thèse est d’étudier le potentiel de la sonogénétique comme stratégie de neurostimulation pour la restauration visuelle. Dans ce travail, nous avons identifié un canal ionique mécano-sensible qui peut s’exprimer efficacement dans les cellules ganglionnaires de la rétine et dans les neurones du cortex visuel par le biais d’une thérapie génique utilisant des vecteurs viraux AAV. Le canal bactérien MscL (canal mécanosensible de grande conductance) s’ouvre rapidement lorsqu’une tension mécanique est appliquée à la membrane cellulaire et est donc susceptible de s’ouvrir également en cas de déformation mécanique de la membrane cellulaire induite par des ondes de pression ultrasonores. L’efficacité de la stimulation ultrasonore a été explorée sur des rétines ex vivo. Les paramètres optimaux de la stimulation ultrasonore ont été définis pour induire une dépolarisation des cellules ganglionnaires de la rétine exprimant le canal MscL avec une grande précision spatiotemporelle. Nous avons ensuite exprimé le même canal dans les neurones du cortex visuel primaire afin de déterminer si des ondes ultrasonores à haute fréquence étaient susceptibles de dépolariser directement les neurones corticaux. Lorsque les neurones corticaux exprimaient le canal MscL, les ultrasons étaient capables d’activer directement les neurones avec une cinétique temporelle à la milliseconde. De plus, il était possible de cibler de très petites zones corticales (0, 35 mm2) procurant ainsi une résolution d’au moins 0, 4 mm. De plus, selon notre modèle thermique, l’augmentation de température associée aux paramètres acoustiques utilisés est négligeable, ce qui indique la sécurité de la stimulation. Aucune réponse ultrasonore n’a été détectée dans les neurones corticaux d’animaux non transfectés. Ces résultats apportent la preuve que la stratégie sonogénétique proposée offre une résolution spatio-temporelle adéquate pour la restauration de la vision au niveau cortical. De plus, cette stratégie ouvre de nouvelles perspectives pour développer une nouvelle forme d’interface cerveau-machine et traiter un large éventail de troubles neurologiques