Figure 1. Microscope holographique 3D super-profondeurUn microscope holographique 3D super-profondeur développé par des chercheurs du Centre IBS pour la spectroscopie et la dynamique moléculaires. Il est possible d'observer le réseau de neurones d'organismes vivants en augmentant le rapport du signal optique cible et en augmentant la vitesse et la profondeur d'acquisition des images. Crédit :Institut des sciences fondamentales
Des chercheurs dirigés par le directeur associé Choi Wonshik du Centre de spectroscopie et dynamique moléculaires de l'Institut des sciences fondamentales, le professeur Kim Moonseok de l'Université catholique de Corée et le professeur Choi Myunghwan de l'Université nationale de Séoul ont développé un nouveau type de microscope holographique. On dit que le nouveau microscope peut "voir à travers" le crâne intact et est capable d'imagerie 3D haute résolution du réseau neuronal dans le cerveau d'une souris vivante sans enlever le crâne.
Afin d'examiner les caractéristiques internes d'un organisme vivant à l'aide de la lumière, il est nécessaire de A) fournir une énergie lumineuse suffisante à l'échantillon et B) mesurer avec précision le signal réfléchi par le tissu cible. Cependant, dans les tissus vivants, de multiples effets de diffusion et de graves aberrations ont tendance à se produire lorsque la lumière frappe les cellules, ce qui rend difficile l'obtention d'images nettes.
Dans les structures complexes telles que les tissus vivants, la lumière subit une diffusion multiple, ce qui fait que les photons changent de direction au hasard plusieurs fois lorsqu'ils traversent le tissu. En raison de ce processus, une grande partie des informations d'image transportées par la lumière est détruite. Cependant, même s'il s'agit d'une très faible quantité de lumière réfléchie, il est possible d'observer les caractéristiques situées relativement profondément dans les tissus en corrigeant la distorsion du front d'onde de la lumière qui a été réfléchie par la cible à observer. Pourtant, les effets de diffusion multiples mentionnés ci-dessus interfèrent avec ce processus de correction. Par conséquent, afin d'obtenir une image haute résolution des tissus profonds, il est important de supprimer les ondes à diffusion multiple et d'augmenter le rapport des ondes à diffusion unique.
Figure 2. Caractéristiques du signal réfléchi en fonction de l'angle d'incidence (A) Si l'objet est petit ou a une structure linéaire, la forme d'onde du signal réfléchi des ondes diffusées simples reste similaire même lorsque l'angle d'incidence est modifié. (B) Cependant, la forme d'onde du signal réfléchi des ondes à diffusion multiple change sans similitude même avec un léger changement d'angle d'incidence. En utilisant ces propriétés inter-front d'onde, des composants de diffusion uniques et des composants de diffusion multiples peuvent être séparés les uns des autres. Crédit :Institut des sciences fondamentales
En 2019, les chercheurs de l'IBS ont développé le microscope holographique à résolution temporelle à grande vitesse qui peut éliminer la diffusion multiple et mesurer simultanément l'amplitude et la phase de la lumière. Ils ont utilisé ce microscope pour observer le réseau neuronal de poissons vivants sans chirurgie incisionnelle. Cependant, dans le cas d'une souris qui a un crâne plus épais que celui d'un poisson, il n'a pas été possible d'obtenir une image du réseau neuronal du cerveau sans retirer ou amincir le crâne, en raison de la distorsion importante de la lumière et de la diffusion multiple se produisant lorsque le la lumière traverse la structure osseuse.
L'équipe de recherche a réussi à analyser quantitativement l'interaction entre la lumière et la matière, ce qui leur a permis d'améliorer encore leur microscope précédent. Dans cette étude récente, ils ont rapporté le développement réussi d'un microscope holographique tridimensionnel à résolution temporelle ultra-profondeur qui permet l'observation des tissus à une plus grande profondeur que jamais auparavant.
Plus précisément, les chercheurs ont conçu une méthode pour sélectionner préférentiellement les ondes à diffusion unique en tirant parti du fait qu'elles ont des formes d'onde de réflexion similaires même lorsque la lumière est entrée sous différents angles. Cela a été fait par un algorithme complexe et une opération numérique qui analyse le mode propre d'un milieu (une onde unique qui délivre de l'énergie lumineuse dans un milieu), ce qui permet de trouver un mode de résonance qui maximise l'interférence constructive (interférence qui se produit lorsque des ondes de le même chevauchement de phase) entre les fronts d'onde de la lumière. Cela a permis au nouveau microscope de focaliser plus de 80 fois l'énergie lumineuse sur les fibres neurales qu'auparavant, tout en supprimant sélectivement les signaux inutiles. Cela a permis d'augmenter le rapport entre les ondes à diffusion unique et les ondes à diffusion multiple de plusieurs ordres de grandeur.
Figure 3. Un réseau de neurones dans le cerveau d'une souris vivante a été observé sans retirer le crâne (A). Le réseau neuronal du cerveau a été imagé avec succès à l'aide d'une source de lumière dans la région des longueurs d'onde visibles. Seule la peau d'une souris vivante a été prélevée et le crâne a été laissé intact. (B) En utilisant la technologie précédente, il n'était pas possible de corriger l'aberration complexe due aux multiples ondes diffusées sévères générées dans le crâne, ce qui rend impossible l'obtention d'une image cohérente. (C) Cependant, l'algorithme développé par l'équipe de recherche a permis l'élimination sélective de plusieurs composants de diffusion parmi le signal réfléchi, ce qui permet de corriger l'aberration du front d'onde. (D) Cela leur a permis de résoudre la structure fine des fibres neurales dans le cerveau. E, F) Les images de projection haute résolution visualisent les ostéocytes à l'intérieur du crâne de la souris, qui s'épanouissent entre les couches osseuses et les matières dure-mère et G) le réseau neuronal obtenu par le microscope. Crédit :Institut des sciences fondamentales
L'équipe de recherche a poursuivi la démonstration de cette nouvelle technologie en observant le cerveau de la souris. Le microscope a pu corriger la distorsion du front d'onde même à une profondeur qui était auparavant impossible avec la technologie existante. Le nouveau microscope a réussi à obtenir une image haute résolution du réseau neuronal du cerveau de la souris sous le crâne. Tout cela a été réalisé dans la longueur d'onde visible sans retirer le crâne de la souris et sans nécessiter d'étiquette fluorescente.
Le professeur Kim Moonseok et le Dr Jo Yonghyeon, qui ont développé les bases du microscope holographique, ont déclaré :« Lorsque nous avons observé pour la première fois la résonance optique de milieux complexes, notre travail a reçu une grande attention de la part des universitaires. Des principes de base à l'application pratique de l'observation de la réseau de neurones sous le crâne de la souris, nous avons ouvert une nouvelle voie pour la technologie convergente de neuroimagerie cérébrale en combinant les efforts de personnes talentueuses en physique, en sciences de la vie et en sciences du cerveau."
Le directeur associé Choi Wonshik a déclaré :« Pendant longtemps, notre centre a développé une technologie de bioimagerie ultra-profonde qui applique des principes physiques. On s'attend à ce que notre découverte actuelle contribue grandement au développement de la recherche biomédicale interdisciplinaire, y compris les neurosciences et l'industrie de la précision. métrologie."
Cette recherche a été publiée dans l'édition en ligne de la revue Science Advances le 28 juillet. + Explorer plus loin
