Les images obtenues par la combinaison de la nouvelle lamelle et des algorithmes informatiques montrent des vues plus claires de petites structures. Crédit :Yicong Wu, Institut national d'imagerie biomédicale et de bio-ingénierie
Des chercheurs des National Institutes of Health et de l'Université de Chicago ont amélioré la vitesse, résolution, et l'efficacité lumineuse d'un microscope optique en passant d'une lamelle de verre classique à une lamelle réfléchissante, une lamelle en miroir et l'application de nouveaux algorithmes informatiques pour traiter les données résultantes.
Hari Shroff, Doctorat., chef de la section de laboratoire de l'Institut national d'imagerie biomédicale et de bioingénierie sur l'imagerie optique à haute résolution (HROI), et son équipe ont passé ces dernières années à développer des microscopes optiques qui produisent des images haute résolution à très grande vitesse. Après que son laboratoire ait développé ces nouveaux microscopes, ils publient les plans et les logiciels gratuitement, Ainsi, tout chercheur peut reproduire les avancées réalisées au NIH.
Ce dernier microscope s'appuie sur les améliorations précédentes que le laboratoire de Shroff avait apportées à la microscopie à illumination sélective en plan (SPIM). Les développements sont décrits dans un article publié le 13 novembre, 2017, dans l'édition en ligne anticipée de Communication Nature . Les systèmes SPIM diffèrent des microscopes traditionnels car ils utilisent des nappes lumineuses pour exciter l'échantillon, exposer uniquement le plan échantillon imagé à la lumière. Parce que seule la partie de l'échantillon imagée (plutôt que l'échantillon entier) est exposée à la lumière, il y a moins de dommages globaux à l'échantillon. Ainsi, Les systèmes SPIM sont plus doux que les microscopes traditionnels.
En 2013, Shroff et son collègue du laboratoire HROI, Yicong Wu, a développé le diSPIM, un système SPIM équipé de deux lentilles afin d'obtenir deux vues de l'échantillon au lieu d'une seule. Tout comme l'utilisation de deux yeux offre une bien meilleure profondeur et une perception tridimensionnelle que l'utilisation d'un seul œil, le microscope à double vue permet une imagerie 3D avec une clarté et une résolution beaucoup plus grandes que l'imagerie traditionnelle à vue unique. En 2016, ils ont ajouté une troisième lentille, montrant que cette vue supplémentaire peut encore améliorer l'efficacité lumineuse et la résolution en imagerie 3D.
"Une fois que nous avons incorporé trois lentilles, nous avons trouvé qu'il devenait de plus en plus difficile d'en rajouter, " a déclaré Shroff. " Non pas parce que nous avons atteint la limite de nos capacités de calcul, mais parce que nous avons manqué d'espace physique."
Dans ce schéma, vous pouvez voir comment la lamelle en miroir permet quatre vues simultanées. Crédit :Yicong Wu, Institut national d'imagerie biomédicale et de bio-ingénierie
Les lentilles utilisées pour imager les échantillons sont volumineuses et doivent être proches des échantillons pour imager clairement la structure subcellulaire détaillée dans une seule cellule ou le développement neuronal dans un embryon de ver. L'espace autour de l'échantillon devient de plus en plus limité avec chaque lentille supplémentaire.
La solution de Wu et Shroff était conceptuellement simple et relativement peu coûteuse. Au lieu d'essayer de trouver des moyens de mettre plus de lentilles, ils utilisent des lamelles en miroir.
"C'est un peu comme se regarder dans un miroir, " Expliqua Shroff. " Si vous regardez une scène dans un miroir, vous pouvez afficher des perspectives qui seraient autrement masquées. Nous avons utilisé ce même principe avec le microscope. On peut voir l'échantillon de manière conventionnelle en utilisant les vues habituelles permises par les lentilles elles-mêmes, tout en enregistrant les images réfléchies de l'échantillon fournies par le miroir."
Une complication est que les vues conventionnelles et réfléchies contiennent un arrière-plan indésirable généré par la source lumineuse. Pour faire face à ce problème, Wu et Shroff ont collaboré étroitement avec le groupe de Patrick La Rivière à l'Université de Chicago. La Rivière est un expert en imagerie numérique, et a aidé l'équipe à créer un logiciel de traitement informatique capable d'identifier et de supprimer l'arrière-plan indésirable et de clarifier l'image.
En utilisant les lamelles en miroir en conjonction avec le logiciel informatique, l'équipe a pu doubler la vitesse et presque doubler la résolution par rapport aux systèmes diSPIM conventionnels sans changer le matériel du microscope. Un avantage supplémentaire de la technique est qu'avec des lamelles en miroir, le microscope est capable de collecter plus de lumière de l'échantillon sans augmenter l'exposition globale à la lumière de l'échantillon. Par conséquent, il augmente l'efficacité de deux à trois fois par rapport à diSPIM. Les chercheurs espèrent qu'à l'avenir cette technique pourra être adaptée à d'autres formes de microscopie.
