Pour créer de la haute résolution, Images 3D de tissus tels que le cerveau, les chercheurs utilisent souvent la microscopie à deux photons, qui consiste à pointer un laser à haute intensité sur l'échantillon pour induire une excitation de fluorescence. Cependant, scanner profondément dans le cerveau peut être difficile car la lumière se disperse des tissus à mesure qu'elle s'enfonce, rendre les images floues.

L'imagerie à deux photons prend également beaucoup de temps, car cela nécessite généralement de numériser des pixels individuels un à la fois. Une équipe de chercheurs du MIT et de l'Université Harvard a maintenant développé une version modifiée de l'imagerie à deux photons qui peut imager plus profondément dans les tissus et effectuer l'imagerie beaucoup plus rapidement qu'auparavant.

Ce type d'imagerie pourrait permettre aux scientifiques d'obtenir plus rapidement des images haute résolution de structures telles que les vaisseaux sanguins et les neurones individuels dans le cerveau, disent les chercheurs.

"En modifiant le faisceau laser entrant dans le tissu, on a montré qu'on peut aller plus loin et qu'on peut faire de l'imagerie plus fine que les techniques précédentes, " dit Murat Yildirim, un chercheur du MIT et l'un des auteurs de la nouvelle étude.

L'étudiant diplômé du MIT Cheng Zheng et l'ancien postdoctorant Jong Kang Park sont les principaux auteurs de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Avancées scientifiques . Dushan N. Wadduwage, un ancien post-doctorant du MIT qui est maintenant John Harvard Distinguished Science Fellow in Imaging au Center for Advanced Imaging de l'Université Harvard, est l'auteur principal de l'article. D'autres auteurs incluent Josiah Boivin, un post-doctorant du MIT; Yi Xue, un ancien étudiant diplômé du MIT; Mriganka Sur, le professeur Newton de neurosciences au MIT; et Pierre So, professeur au MIT de génie mécanique et de génie biologique.

Imagerie profonde

La microscopie à deux photons fonctionne en projetant un faisceau intense de lumière proche infrarouge sur un seul point dans un échantillon, induire l'absorption simultanée de deux photons au foyer, où l'intensité est la plus élevée. Cette grande longueur d'onde, la lumière à faible énergie peut pénétrer plus profondément dans les tissus sans les endommager, permettant l'imagerie sous la surface.

Cependant, l'excitation à deux photons génère des images par fluorescence, et le signal fluorescent est dans la région spectrale visible. Lors de l'imagerie plus profonde dans des échantillons de tissus, la lumière fluorescente se diffuse davantage et l'image devient floue. L'imagerie de nombreuses couches de tissus prend également beaucoup de temps. Grâce à l'imagerie grand champ, dans lequel tout un plan de tissu est illuminé à la fois, peut accélérer le processus, mais la résolution de cette approche n'est pas aussi grande que celle du balayage point par point.

L'équipe du MIT voulait développer une méthode qui leur permettrait d'imager un grand échantillon de tissu en une seule fois, tout en conservant la haute résolution de la numérisation point par point. Pour y parvenir, ils ont trouvé un moyen de manipuler la lumière qu'ils éclairent sur l'échantillon. Ils utilisent une forme de microscopie à grand champ, projeter un plan de lumière sur le tissu, mais modifiez l'amplitude de la lumière afin qu'ils puissent allumer ou éteindre chaque pixel à des moments différents. Certains pixels sont allumés tandis que les pixels voisins restent sombres, et ce motif prédéfini peut être détecté dans la lumière diffusée par le tissu.

"Nous pouvons activer ou désactiver chaque pixel par ce type de modulation, " dit Zheng. " Si nous désactivons certains spots, qui crée de l'espace autour de chaque pixel, donc maintenant nous pouvons savoir ce qui se passe dans chacun des endroits individuels."

Une fois que les chercheurs ont obtenu les images brutes, ils reconstruisent chaque pixel à l'aide d'un algorithme informatique qu'ils ont créé.

« Nous contrôlons la forme de la lumière et nous obtenons la réponse du tissu. À partir de ces réponses, nous essayons de résoudre le type de dispersion du tissu. Comme nous faisons les reconstructions à partir de nos images brutes, nous pouvons obtenir beaucoup d'informations que vous ne pouvez pas voir dans les images brutes, " dit Yildirim.

En utilisant cette technique, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient imager environ 200 microns de profondeur dans des tranches de tissu musculaire et rénal, et environ 300 microns dans le cerveau des souris. C'est environ deux fois plus profond qu'il n'était possible sans cette excitation à motifs et cette reconstruction informatique, dit Yildirim. La technique peut également générer des images d'environ 100 à 1, 000 fois plus rapide que la microscopie conventionnelle à deux photons.

Structure du cerveau

Ce type d'imagerie devrait permettre aux chercheurs d'obtenir plus rapidement des images à haute résolution des neurones du cerveau, ainsi que d'autres structures telles que les vaisseaux sanguins. L'imagerie des vaisseaux sanguins dans le cerveau des souris pourrait être particulièrement utile pour en savoir plus sur la façon dont le flux sanguin est affecté par les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, dit Yildirim.

« Toutes les études du flux sanguin ou de la morphologie des structures des vaisseaux sanguins sont basées sur des systèmes de balayage ponctuel à deux ou trois photons, donc ils sont lents, " dit-il. " En utilisant cette technologie, nous pouvons vraiment effectuer une imagerie volumétrique à grande vitesse du flux sanguin et de la structure des vaisseaux sanguins afin de comprendre les changements dans le flux sanguin. »

La technique pourrait également se prêter à la mesure de l'activité neuronale, en ajoutant des colorants fluorescents sensibles à la tension ou des sondes de calcium fluorescentes qui s'allument lorsque les neurones sont excités. Il pourrait également être utile pour analyser d'autres types de tissus, y compris les tumeurs, où il pourrait être utilisé pour aider à déterminer les bords d'une tumeur.