Les chercheurs ont développé un système qui augmente la vitesse d'imagerie de la microscopie à deux photons jusqu'à cinq fois sans compromettre la résolution. À gauche, est un modèle CAO du système compact de microscopie à deux photons construit sur mesure. L'optique à espace libre à l'intérieur est illustrée à droite. Crédit :Shih-Chi Chen de l'Université chinoise de Hong Kong
Les chercheurs ont développé un moyen d'améliorer jusqu'à cinq fois la vitesse d'imagerie de la microscopie à deux photons sans compromettre la résolution. Cette vitesse d'imagerie record permettra aux scientifiques d'observer des phénomènes biologiques qui étaient auparavant trop éphémères pour être photographiés avec la microscopie avancée de pointe actuelle.
Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , des chercheurs dirigés par Shih-Chi Chen de l'Université chinoise de Hong Kong décrivent comment ils ont combiné une approche d'imagerie informatique connue sous le nom d'imagerie compressive avec une méthode de balayage plus rapide. Ils ont utilisé la nouvelle méthode pour acquérir des images de microscopie à deux photons d'un grain de pollen en moins d'une seconde. Cela prendrait cinq fois plus de temps avec l'approche traditionnelle.
"Cette nouvelle méthode de microscopie à deux photons basée sur la détection compressive sera utile pour visualiser un réseau de neurones ou surveiller l'activité de centaines de neurones simultanément, " a déclaré Chenyang Wen, premier auteur de l'article. "Typiquement, les neurones transmettent des signaux sur une échelle de temps de 10 millisecondes, que les systèmes conventionnels sont trop lents à suivre."
Numérisation plus rapide
La microscopie à deux photons fonctionne en délivrant des impulsions ultrarapides de lumière laser infrarouge à l'échantillon où il interagit avec des tissus ou des marqueurs fluorescents qui émettent des signaux utilisés pour créer une image. Il est largement utilisé pour la recherche en biologie en raison de sa capacité à produire une haute résolution, Images 3D jusqu'à une profondeur d'un millimètre. Ces avantages, cependant, viennent avec une vitesse d'imagerie limitée car les conditions de faible luminosité nécessitent des détecteurs ponctuels qui nécessitent une acquisition et une reconstruction d'images point par point.
Pour accélérer l'imagerie, les chercheurs ont précédemment développé une méthode d'éclairage laser multi-foyer qui utilise un dispositif numérique à micromiroir (DMD), un type de scanner de lumière à faible coût généralement utilisé dans les projecteurs. "On pensait que ces DMD ne pouvaient pas fonctionner avec des lasers ultrarapides, " dit Chen. " Cependant, nous avons récemment abordé ce problème, qui a permis l'application de DMD dans des applications laser ultrarapides qui incluent la mise en forme de faisceau, mise en forme des impulsions, numérisation rapide et imagerie à deux photons."
Le chercheur a comparé des images de microscopie à deux photons d'un grain de pollen à l'aide d'un balayage matriciel traditionnel (a) et de leur nouvelle approche d'imagerie compressive (b). Le temps d'imagerie par balayage matriciel était de 2,2 secondes tandis que le temps d'imagerie compressive n'a nécessité que 0,55 seconde. Crédit :Shih-Chi Chen de l'Université chinoise de Hong Kong
Le DMD génère cinq à 30 points de lumière laser focalisée sur des emplacements choisis au hasard dans un échantillon. La position et l'intensité de chaque point lumineux sont contrôlées par un hologramme binaire qui est projeté sur l'appareil. Lors de chaque mesure, le DMD reflashe l'hologramme pour changer la position de chaque foyer et enregistre l'intensité de la fluorescence à deux photons avec un détecteur à un seul pixel. Même si, De plusieurs façons, La numérisation multi-focus DMD est plus flexible et plus rapide que la numérisation raster traditionnelle, la vitesse est toujours limitée par la vitesse à laquelle l'appareil peut former des motifs lumineux.
La combinaison de méthodes permet une imagerie plus rapide
Dans le nouveau travail, les chercheurs augmentent encore la vitesse d'imagerie en combinant le balayage multifocal avec la détection compressive. Cette approche informatique permet de reconstruire l'image avec moins d'expositions car elle effectue l'échantillonnage et la compression d'image en une seule étape, puis utilise un algorithme pour remplir les informations manquantes. Pour la microscopie à deux photons, il permet de reconstruire un spécimen en utilisant 70 à 90 pour cent moins d'expositions que les approches traditionnelles.
Après avoir mené une expérience de simulation pour démontrer les performances de la nouvelle méthode et identifier les paramètres optimaux, les chercheurs l'ont testé avec des expériences d'imagerie à deux photons. Ces expériences ont démontré la capacité de la technique à produire des images 3D de haute qualité avec des vitesses d'imagerie élevées à partir de n'importe quel champ de vision. Par exemple, ils ont pu acquérir des images de cinq couches dans un grain de pollen, avec chaque couche mesurant 100 × 100 pixels, en seulement 0,55 seconde. Les mêmes images acquises avec le balayage raster ont pris 2,2 secondes.
"Nous avons obtenu une amélioration de 3 à 5 fois la vitesse d'imagerie sans sacrifier la résolution lors de l'imagerie de régions sélectionnées arbitrairement dans des spécimens 3D, " a déclaré Wen. "Nous pensons que cette nouvelle approche basée sur la détection compressive sera utile à utiliser avec des approches telles que l'optogénétique dans laquelle la lumière est utilisée pour contrôler les neurones et conduira à de nouvelles découvertes en biologie et en médecine."
Les chercheurs travaillent à améliorer encore la vitesse de l'algorithme de reconstruction et la qualité de l'image. Ils prévoient également d'utiliser la plate-forme DMD avec d'autres techniques d'imagerie avancées telles que la correction du front d'onde, qui permet l'imagerie des tissus profonds.
