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“Le microscope holographique voit le cerveau à travers le crâne”
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Des chercheurs dirigés par le directeur associé CHOI Wonshik du Centre de spectroscopie et dynamique moléculaires de l’Institut des sciences fondamentales, le professeur KIM Moonseok de l’Université catholique de Corée et le professeur CHOI Myunghwan de l’Université nationale de Séoul ont développé un nouveau type de microscope holographique. On dit que le nouveau microscope peut “voir à travers” le crâne intact et est capable d’imagerie 3D haute résolution du réseau neuronal dans le cerveau d’une souris vivante sans enlever le crâne.
* À titre de référence, le crâne de la souris a une épaisseur et une opacité similaires à celles d’un ongle humain.
Afin d’examiner les caractéristiques internes d’un organisme vivant à l’aide de la lumière, il est nécessaire de A) fournir une énergie lumineuse suffisante à l’échantillon et B) mesurer avec précision le signal réfléchi par le tissu cible. Cependant, dans les tissus vivants, des effets de diffusion multiples et une aberration sévère1 ont tendance à se produire lorsque la lumière frappe les cellules, ce qui rend difficile l’obtention d’images nettes.
Dans les structures complexes telles que les tissus vivants, la lumière subit une diffusion multiple, ce qui fait que les photons changent de direction au hasard plusieurs fois lorsqu’ils traversent le tissu. En raison de ce processus, une grande partie des informations d’image transportées par la lumière est détruite. Cependant, même s’il s’agit d’une très faible quantité de lumière réfléchie, il est possible d’observer les caractéristiques situées relativement profondément dans les tissus en corrigeant le front d’onde2 distorsion de la lumière réfléchie par la cible à observer. Cependant, les effets de diffusion multiples mentionnés ci-dessus interfèrent avec ce processus de correction. Par conséquent, afin d’obtenir une image haute résolution des tissus profonds, il est important de supprimer les ondes à diffusion multiple et d’augmenter le rapport des ondes à diffusion unique.
En 2019, pour la première fois, les chercheurs de l’IBS ont développé le microscope holographique à résolution temporelle à grande vitesse3 qui peut éliminer la diffusion multiple et mesurer simultanément l’amplitude et la phase de la lumière. Ils ont utilisé ce microscope pour observer le réseau neuronal de poissons vivants sans chirurgie incisionnelle. Cependant, dans le cas d’une souris qui a un crâne plus épais que celui d’un poisson, il n’a pas été possible d’obtenir une image du réseau neuronal du cerveau sans retirer ou amincir le crâne, en raison de la distorsion importante de la lumière et de la diffusion multiple se produisant lorsque le la lumière traverse la structure osseuse.
L’équipe de recherche a réussi à analyser quantitativement l’interaction entre la lumière et la matière, ce qui leur a permis d’améliorer encore leur microscope précédent. Dans cette étude récente, ils ont rapporté le développement réussi d’un microscope holographique tridimensionnel à résolution temporelle super-profondeur qui permet l’observation des tissus à une plus grande profondeur que jamais auparavant.
Plus précisément, les chercheurs ont conçu une méthode pour sélectionner préférentiellement les ondes à diffusion unique en tirant parti du fait qu’elles ont des formes d’onde de réflexion similaires même lorsque la lumière est entrée sous différents angles. Cela se fait par un algorithme complexe et une opération numérique qui analyse le mode propre d’un milieu (une onde unique qui délivre de l’énergie lumineuse dans un milieu), ce qui permet de trouver un mode de résonance qui maximise l’interférence constructive (interférence qui se produit lorsque des ondes de le même chevauchement de phase) entre les fronts d’onde de la lumière. Cela a permis au nouveau microscope de concentrer plus de 80 fois l’énergie lumineuse sur les fibres neurales qu’auparavant, tout en supprimant sélectivement les signaux inutiles. Cela a permis d’augmenter le rapport des ondes à diffusion unique par rapport aux ondes à diffusion multiple de plusieurs ordres de grandeur.
L’équipe de recherche a poursuivi la démonstration de cette nouvelle technologie en observant le cerveau de la souris. Le microscope a pu corriger la distorsion du front d’onde même à une profondeur qui était auparavant impossible avec la technologie existante. Le nouveau microscope a réussi à obtenir une image haute résolution du réseau neuronal du cerveau de la souris sous le crâne. Tout cela a été réalisé dans la longueur d’onde visible sans enlever le crâne de la souris et sans nécessiter de marqueur fluorescent.
Le professeur KIM Moonseok et le Dr JO Yonghyeon, qui ont développé les bases du microscope holographique, ont déclaré : « Lorsque nous avons observé pour la première fois la résonance optique de milieux complexes, notre travail a reçu une grande attention de la part du milieu universitaire. Des principes de base à l’application pratique de l’observation du réseau neuronal sous le crâne de la souris, nous avons ouvert une nouvelle voie pour la technologie convergente de neuroimagerie cérébrale en combinant les efforts de personnes talentueuses en physique, en sciences de la vie et en sciences du cerveau.
Le directeur associé, CHOI Wonshik, a déclaré : « Pendant longtemps, notre centre a développé une technologie de bioimagerie à très grande profondeur qui applique des principes physiques. On s’attend à ce que notre découverte actuelle contribue grandement au développement de la recherche interdisciplinaire biomédicale, y compris les neurosciences et l’industrie de la métrologie de précision.
Cette recherche a été publiée dans l’édition en ligne de la revue Science Advances (IF 14.136) le 28 juillet.
Référence: Jo Y, Lee YR, Hong JH, et al. Imagerie cérébrale à travers le crâne in vivo aux longueurs d’onde visibles par microscopie optique adaptative à réduction de dimensionnalité. Sci Adv. 2022;8(30):eabo4366. est ce que je: 10.1126/sciadv.abo4366
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