Un nouveau système de microscope optique appelé microscopie optique fonctionnelle basée sur la stimulation et l'imagerie (SIFOM) peut stimuler plusieurs cellules simultanément via une méthode holographique et surveiller l'activité cellulaire après la stimulation à l'aide de mesures 3D basées sur l'holographie de fluorescence. Ce système a des applications potentielles en tant qu'outil pour la reconstruction des voies nerveuses perdues, construire des réseaux de neurones artificiels, et le développement des ressources alimentaires. Le concept du SIFOM et le contrôle de faisabilité ont été publiés le 1er novembre dans Lettres d'optique .

Il existe de nombreuses techniques optiques, y compris la microscopie à contraste de phase, microscopie à fluorescence, microscopie multiphotonique et microscopie à fluorescence super-résolue. Des percées récentes dans la technologie optique ont permis aux scientifiques de visualiser la structure ultrafine des cellules et leurs fonctions in vitro et in vivo. Les chercheurs peuvent désormais utiliser la lumière pour manipuler l'activité cellulaire, une technique appelée optogénétique, en utilisant la channelrhodopsine ou d'autres protéines apparentées (voir figure 1). Cependant, la stimulation lumineuse actuelle basée sur l'optogénétique utilisée pour manipuler l'activité cellulaire est trop simple, en utilisant une exposition uniforme par LED ou par fibres optiques, donc seul un faible niveau de manipulation cellulaire est possible.

Cette étude propose un nouveau système de microscope optique appelé SIFOM (figure 2). Le SIFOM comprend deux sous-fonctions :l'observation 3D des cellules et la stimulation 3D des cellules basée sur l'holographie numérique. C'est le premier microscope à être équipé d'une technologie capable de réaliser simultanément l'observation et la stimulation 3D, et il a des applications potentielles en tant qu'outil révolutionnaire dans les sciences de la vie. En utilisant la photographie sans numérisation à haute vitesse, cette technologie nous permet d'obtenir des informations sur de multiples événements se produisant dans l'espace 3-D dans un laps de temps très court.

À titre d'expérience de vérification, l'équipe a utilisé des cellules cancéreuses du poumon et des billes fluorescentes d'environ 10 micromètres. Ils ont enregistré un hologramme fluorescent dans un état défocalisé à partir de la position focale dans le sens de la profondeur et ont réussi à reconstruire à la fois les cellules et les billes fluorescentes (figure 3).

Au cours de l'expérience de vérification, ils ont pu observer une stimulation lumineuse pour un maximum de cinq cellules à la fois. Le nombre maximum de cellules stimulées est déterminé principalement parce que la puissance lumineuse est insuffisante pour la stimulation. Dans l'espace 2-D (bidimensionnel), il est prévu qu'une stimulation lumineuse simultanée soit possible pour plus de 100 cellules, et à l'avenir, l'équipe vise à étendre la profondeur de stimulation à quelques centaines de micromètres en utilisant une stimulation à deux photons.

Afin d'observer les cellules vivantes, il y a une limite à la puissance de la fluorescence pour ne pas endommager les cellules, des mesures de haute sensibilité sont donc nécessaires. L'équipe vise à surmonter ces problèmes et à préparer le nouveau système de microscopie optique pour une utilisation pratique. Le professeur Matoba commente, "Nous avons une subvention de recherche du JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Japon pour fabriquer un SIFOM et l'appliquer ensuite au développement ultérieur des neurosciences. Nous collaborerons avec des entreprises pour introduire le nouveau microscope optique sur le marché commercial."