Les chercheurs ont développé un nouveau dispositif plug-and-play qui peut ajouter une correction optique adaptative aux microscopes optiques commerciaux. L'optique adaptative peut grandement améliorer la qualité des images acquises en profondeur dans les échantillons biologiques, mais a, jusqu'à maintenant, été extrêmement complexe à mettre en œuvre.

« L'amélioration de la technologie à la disposition des scientifiques de la vie peut approfondir notre compréhension de la biologie, Qui va, à son tour, conduire à de meilleurs médicaments et thérapies disponibles pour les médecins, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche, Paolo Pozzi de l'Université de Modène et de Reggio Emilia en Italie.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , Pozzi et une équipe multidisciplinaire de chercheurs de l'Université de Technologie de Delft (TU Delft), Le CNR-Institute for Photonics and Nanotechnology (CNR-IFL) et le Centre médical universitaire de Rotterdam décrivent leur nouveau dispositif de lentille adaptative. Ils montrent également comment il peut être facilement installé sur l'objectif d'un microscope multiphotonique commercial pour améliorer la qualité de l'image.

"Cette approche permettra à des techniques optiques avancées telles que la microscopie multiphotonique d'imager plus profondément sous la surface du cerveau dans des organismes vivants, " a déclaré Stefano Bonora, chef de groupe au CNR-IFL. « Nous sommes impatients de voir comment il pourrait également être mis en œuvre dans d'autres systèmes, tels que les microscopes à nappe lumineuse, systèmes de super-résolution, ou même de simples microscopes à épifluorescence."

Imagerie plus profonde

La microscopie optique peut être utilisée pour imager des échantillons biologiques dans des conditions naturelles, permettant d'observer divers processus biologiques au cours du temps. Cependant, au fur et à mesure que la lumière traverse les tissus, elle se déforme. Cette distorsion s'aggrave à mesure que la lumière pénètre plus profondément dans les tissus, rendant les images floues et obscurcissant des détails importants.

Optique adaptative, une technologie initialement développée pour compenser les turbulences atmosphériques lors de l'utilisation de télescopes pour visualiser des objets célestes, peut être utilisé pour corriger les aberrations optiques qui se produisent lors de l'imagerie à travers des tissus épais. Cependant, cela nécessite généralement la construction d'un microscope personnalisé qui intègre un miroir déformable. Ce miroir est utilisé pour compenser les distorsions, créer une image qui semble nette et claire.

« Inclure un miroir déformable dans un microscope existant est presque impossible, et aucun microscope adaptatif commercial n'est encore disponible sur le marché, " a déclaré Pozzi. " Cela signifie que la seule option pour un scientifique de la vie d'utiliser l'optique adaptative est de construire le microscope entier à partir de zéro, une opération trop difficile et chronophage pour la plupart des laboratoires des sciences de la vie."

Une approche plus simple

Pour simplifier cette configuration, les chercheurs ont créé une lentille intelligente en verre si fin qu'il peut se plier sans se casser. La lentille se compose d'un récipient en verre en forme de disque rempli d'un liquide transparent. Un ensemble de 18 actionneurs mécaniques sur les bords du verre peut être contrôlé avec un ordinateur pour plier le verre à la forme souhaitée.

L'objectif fonctionne comme le miroir déformable utilisé dans la plupart des configurations d'optique adaptative, mais au lieu de refléter la lumière, il transmet la lumière. Lorsque la lumière traverse le liquide à l'intérieur de la lentille, il se déforme différemment selon la forme de la lentille. "C'est similaire aux images déformées que vous voyez lorsque vous regardez à travers une bouteille d'eau tout en l'écrasant avec vos mains, " dit Bonora.

L'utilisation de la lentille pour la correction de l'optique adaptative nécessite un algorithme complexe pour contrôler les actionneurs. "Une correction optique efficace a été rendue possible par l'algorithme DONE (base de données en ligne non linéaire extremum-seeker), une solution très élégante basée sur des principes de type machine learning, que nous avons précédemment développé à la TU Delft, " dit Pozzi.

Résultats rapides

Les chercheurs ont testé le nouveau logiciel, qui est également mis à disposition des autres via github, et une lentille adaptative en l'appliquant à la lentille d'objectif d'un microscope multiphotonique commercial. Ils ont utilisé le microscope pour effectuer une imagerie du calcium sur le cerveau de souris vivantes, l'une des expériences les plus complexes en sciences de la vie réalisées avec des microscopes.

"Nous avons dépassé nos attentes en obtenant de très beaux résultats en quelques heures, " a déclaré Pozzi. " Cette technologie peut être installée sur n'importe quel microscope existant qui a des objectifs interchangeables et affiche des images sur un écran d'ordinateur. "

Les chercheurs testent maintenant le système sur d'autres types de microscopes et d'échantillons tout en explorant si plusieurs lentilles adaptatives pourraient être utilisées pour obtenir une meilleure correction que ce qui est possible avec des techniques plus complexes utilisant des miroirs déformables. L'équipe a également fondé une entreprise dérivée, Optique Dynamique srl, commercialiser les lentilles adaptatives multi-actionneurs.

La nouvelle lentille pourrait également être utile pour des applications au-delà de la microscopie. "Notre nouveau dispositif pourrait également être appliqué dans d'autres domaines tels que les communications optiques en espace libre, où il pourrait augmenter les taux de connexion de données et apporter des connexions de données dans des zones éloignées et isolées, " dit Pozzi.