Des techniques microscopiques non invasives telles que la microscopie à cohérence optique et la microscopie à deux photons sont couramment utilisées pour l'imagerie in vivo de tissus vivants. Lorsque la lumière traverse des matériaux troubles tels que des tissus biologiques, deux types de lumière sont générés :les photons balistiques et les photons diffusés multipliés. Les photons balistiques traversent directement l'objet sans subir de déviation et sont donc utilisés pour reconstruire l'image de l'objet. D'autre part, les photons à diffusion multiple sont générés via des déviations aléatoires lorsque la lumière traverse le matériau et apparaissent sous forme de bruit de chatoiement dans l'image reconstruite. Au fur et à mesure que la lumière se propage sur des distances croissantes, le rapport entre les photons multidiffusés et balistiques augmente considérablement, obscurcissant ainsi les informations d'image. En plus du bruit généré par la lumière à diffusion multiple, l'aberration optique de la lumière balistique provoque également une réduction du contraste et un flou de l'image pendant le processus de reconstruction de l'image.

Les tissus osseux en particulier ont de nombreuses structures internes complexes, qui provoquent de graves diffusions de lumière multiples et des aberrations optiques complexes. Lorsqu'il s'agit d'imagerie optique du cerveau de souris à travers un crâne intact, les structures fines du système nerveux sont difficiles à visualiser en raison du fort bruit de chatoiement et de la distorsion de l'image. Ceci est problématique dans la recherche en neurosciences, où la souris est largement utilisée comme organisme modèle. En raison de la limitation des techniques d'imagerie actuellement utilisées, le crâne doit être retiré ou aminci pour étudier au microscope les réseaux neuronaux des tissus cérébraux situés en dessous.

Par conséquent, d'autres solutions ont été suggérées pour obtenir une imagerie plus profonde des tissus vivants. Par exemple, la microscopie à trois photons a été utilisée avec succès pour imager les neurones sous le crâne de la souris ces dernières années. Cependant, la microscopie à trois photons est limitée par un faible taux de répétition du laser car elle utilise une fenêtre d'excitation dans le domaine infrarouge, qui peuvent endommager les tissus vivants lors de l'imagerie in vivo. Il a également une puissance d'excitation excessive, ce qui signifie que le photoblanchiment est plus étendu que l'approche à deux photons.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Choi Wonshik au Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics au sein de l'Institute of Basic Science (IBS) à Séoul, La Corée du Sud a fait une percée majeure dans l'imagerie optique des tissus profonds. Ils ont développé un nouveau microscope optique qui peut imager un crâne de souris intact et acquérir une carte microscopique des réseaux neuronaux dans les tissus cérébraux sans perdre en résolution spatiale.

Ce nouveau microscope est appelé "microscope à matrice de réflexion, ' et il combine les puissances du matériel et de l'optique adaptative computationnelle (AO), qui est une technologie développée à l'origine pour l'astronomie au sol afin de corriger les aberrations optiques. Alors qu'un microscope confocal conventionnel mesure le signal de réflexion uniquement au point focal d'éclairage et élimine toute lumière floue, le microscope à matrice de réflexion enregistre tous les photons diffusés à des positions autres que le point focal. Les photons diffusés sont ensuite corrigés informatiquement à l'aide d'un nouvel algorithme d'AO appelé accumulation en boucle fermée de diffusion unique (CLASS), que l'équipe a développé en 2017. L'algorithme exploite toute la lumière diffusée pour extraire sélectivement la lumière balistique et corriger les aberrations optiques graves. Par rapport à la plupart des systèmes de microscopie AO conventionnels, qui nécessitent des réflecteurs ponctuels brillants ou des objets fluorescents comme étoiles de guidage de la même manière que l'utilisation de l'AO en astronomie, le microscope à matrice de réflexion fonctionne sans marquage fluorescent et sans dépendre des structures de la cible. En outre, le nombre de modes d'aberration pouvant être corrigés est plus de 10 fois supérieur à celui des systèmes AO classiques.

Le microscope à matrice de réflexion présente un grand avantage en ce qu'il peut être directement combiné avec un microscope conventionnel à deux photons qui est déjà largement utilisé dans le domaine des sciences de la vie. Pour supprimer l'aberration subie par le faisceau d'excitation du microscope à deux photons, l'équipe a déployé une optique adaptative basée sur le matériel dans le microscope à matrice de réflexion pour contrer l'aberration du crâne de la souris. Ils ont présenté les capacités du nouveau microscope en prenant des images de fluorescence à deux photons d'une épine dendritique d'un neurone derrière le crâne de souris, avec une résolution spatiale proche de la limite de diffraction. Normalement, un microscope conventionnel à deux photons ne peut pas résoudre la structure délicate de la colonne vertébrale dendritique sans retirer complètement le tissu cérébral du crâne. Il s'agit d'une réalisation très importante, comme le groupe sud-coréen a démontré la première imagerie à haute résolution de réseaux de neurones à travers un crâne de souris intact. Cela signifie qu'il est désormais possible d'étudier le cerveau de la souris dans ses états les plus natifs.

Le professeur-chercheur Yoon Seokchan et l'étudiant diplômé Lee Hojun, qui a mené l'étude, mentionné, "En corrigeant la distorsion du front d'onde, nous pouvons focaliser l'énergie lumineuse sur l'emplacement souhaité à l'intérieur du tissu vivant... Notre microscope nous permet d'étudier de fines structures internes en profondeur dans les tissus vivants qui ne peuvent être résolues par aucun autre moyen. Cela nous aidera grandement dans le diagnostic précoce des maladies et accélérera la recherche en neurosciences. »

Les chercheurs ont défini leur prochaine direction de recherche pour minimiser le facteur de forme du microscope et augmenter sa vitesse d'imagerie. L'objectif est le développement d'un microscope à matrice réfléchissante sans étiquette avec une profondeur d'imagerie élevée pour une utilisation en clinique.

Le vice-directeur Choi Wonshik a déclaré :« Le microscope à matrice de réflexion est la technologie de nouvelle génération qui va au-delà des limites des microscopes optiques conventionnels. Cela nous permettra d'élargir notre compréhension de la propagation de la lumière à travers les milieux de diffusion et d'élargir le champ d'applications qu'un microscope optique peut explorer.