Les pionniers de l’optique adaptative remportent le Rank Prize pour leurs avancées en matière d’imagerie rétinienne – Physics World

Quatre scientifiques pionniers dans le développement de technologies d'optique adaptative (AO) pour l'imagerie de la rétine humaine ont reçu le prix 2024 Prix ​​​​de classement pour l'optoélectronique. Les gagnants - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda ainsi que les David Williams – a inventé des instruments qui utilisent l’AO pour capturer des images haute résolution de la rétine vivante et fournir de nouvelles informations sur la structure et la fonction de l’œil humain.

AO a été développé à l’origine pour être utilisé en astronomie, afin d’éliminer le flou induit par l’atmosphère dans les images des télescopes au sol. Il fonctionne en mesurant les distorsions d'un front d'onde réfléchi à l'aide d'un capteur de front d'onde, puis en compensant ces distorsions avec un correcteur de front d'onde, qui est souvent un miroir déformable.

En 1997, Liang, Williams et Miller ont démontré que l’AO pouvait également être utilisée pour corriger les distorsions causées par une optique imparfaite dans l’œil humain. Grâce à AO, ils ont créé un caméra d'imagerie rétinienne avec une résolution sans précédent, permettant une imagerie claire des cellules photoréceptrices individuelles de la rétine humaine vivante. Deux ans plus tard, Roorda et Williams ont utilisé cet instrument pour produire les toutes premières images montrant la distribution du trois types de cônes dans la rétine humaine.

Selon Donal Bradley, président du comité d'optoélectronique du Rank Prize, le prix récompense les lauréats pour « une contribution fondamentale à l'imagerie de l'œil qui ouvre de nouvelles opportunités pour comprendre cet instrument optique complexe et améliorer la vue grâce à des interventions précises ». Tami Freeman s'est entretenu avec deux des gagnants pour en savoir plus.

Depuis son invention, quel a été l’impact de l’AO sur le domaine de l’imagerie oculaire ?

Donald Miller L’AO est la seule technologie permettant la visualisation de cellules rétiniennes individuelles dans un œil vivant. Et comme la maladie et la pathologie commencent à ce niveau cellulaire, c'est à ce niveau que nous souhaitons que les cliniciens opèrent, pour un diagnostic plus précoce et des traitements plus efficaces.

À titre d'exemple dans mon propre laboratoire, nous avons récemment étudié l'impact du glaucome, l'une des principales causes de cécité irréversible dans le monde, sur les cellules ganglionnaires de la rétine – le principal type de cellules qui meurt dans cette maladie et qui tapissent la sommet de la rétine. Bien qu’il existe des traitements efficaces, la maladie est malheureusement difficile à diagnostiquer précocement tant que des dommages importants ne sont pas survenus. Avec l’AO, nous pouvons désormais, pour la première fois, surveiller individuellement les cellules ganglionnaires de la rétine et les suivre au fil du temps chez ces patients.

En utilisant l’AO combinée à la tomographie par cohérence optique (AO-OCT), nous avons constaté que, même dans les yeux sous traitement, nous constatons une perte subclinique de cellules. C’est important car les cliniciens peuvent désormais utiliser ces mesures au niveau cellulaire pour mieux déterminer si leur traitement fonctionne ou non. Il offre également un potentiel considérable pour tester l’efficacité et la sécurité de nouvelles stratégies neuroprotectrices et régénératrices. La visualisation des cellules ganglionnaires de la rétine chez des sujets humains n’est devenue possible que ces dernières années – nous entrons dans une période vraiment passionnante.

Austin Roorda À mesure que des traitements deviennent disponibles pour les principales maladies oculaires cécitantes, comme le diabète, le glaucome et la dégénérescence maculaire, nous pouvons désormais utiliser l’AO pour évaluer leur efficacité. Mais il existe d’autres maladies héréditaires de la rétine dues à des mutations génétiques pour lesquelles on sait très peu de choses. Dans ces maladies rares, auparavant, la seule façon de voir ce qui se passait à l’échelle cellulaire était d’attendre l’œil d’un donneur et de l’examiner au microscope. L'AO a ouvert la possibilité d'examiner la rétine à l'échelle microscopique chez ces patients. Des traitements tels que la thérapie génique se profilent à l’horizon et pourraient potentiellement guérir ou stopper ces maladies héréditaires. L’AO est sur le point de jouer un rôle clé dans ce processus : comprendre comment la mutation affecte la rétine, évaluer l’état de la rétine, prédire le pronostic si le patient subit une thérapie génique, puis mesurer l’efficacité de cette thérapie.

Comment la technologie AO a-t-elle évolué au cours des 25 dernières années ?

AR L’AO était à l’origine limitée par la technologie disponible, largement développée pour le domaine de l’astronomie. Le miroir déformable était donc grand et n'était pas adapté à l'œil. Au fil des années, lorsque les entreprises ont commencé à reconnaître le potentiel de l’AO dans d’autres domaines, notamment en ophtalmoscopie, elles ont commencé à construire des dispositifs de détection de front d’onde et des correcteurs de front d’onde (le miroir déformable) bien mieux adaptés aux applications dans l’œil humain.

DM Lorsque nous avons développé le système AO pour la première fois, nous avons fait de nombreuses suppositions : quel type de correction de front d'onde utiliser, quel capteur de front d'onde, la vitesse de boucle, etc. Au cours des cinq à dix années suivantes, notre compréhension des propriétés spatiales et de la dynamique temporelle des aberrations oculaires a beaucoup progressé. Ceux-ci ont ensuite défini les composants AO : combien d'actionneurs vous avez besoin dans votre correcteur de front d'onde, quelle devrait être la course [déplacement de l'actionneur], combien de points d'échantillonnage vous avez besoin à travers la pupille et à quelle vitesse le système AO doit aller. Tout cela a été optimisé au fil des années.

Par exemple, le correcteur de front d'onde que nous avons utilisé en 1997 avait 37 actionneurs qui poussent et tirent sur la surface arrière du miroir pour déformer sa forme, et il donnerait une course de quatre microns. Ceux utilisés aujourd'hui comportent près de 100 actionneurs et donnent un ordre de grandeur en plus de course, ce qui est important car les yeux présentent de graves aberrations ; cela a fait une grande différence.

AR Désormais, lorsque vous utilisez AO, vous appuyez sur un bouton et il fonctionne automatiquement entre des dizaines et des centaines de hertz. Avant, il fallait prendre une photo, une cartographie des aberrations de l'œil, et la scruter pour s'assurer qu'il n'y avait pas d'erreurs dans l'analyse initiale de l'image. Ensuite, vous appuyez sur le bouton suivant pour appliquer cette forme au miroir. L’utilisateur faisait donc partie intégrante du système AO en boucle fermée. C'était amusant, mais c'était lent.

Initialement, Don, David et Junzhong ont construit une caméra standard à éclairage par inondation qui examinerait la rétine via un système AO pour révéler la structure microscopique. Plus tard, j'ai incorporé l'AO dans un système de numérisation pour créer un ophtalmoscope laser à balayage AO (AOSLO) capable d'enregistrer une vidéo de la rétine et d'effectuer des coupes en profondeur. Il s'agit d'une toute nouvelle plateforme d'imagerie AO. D'autres chercheurs ont incorporé un type d'imagerie à contraste de phase qui peut visualiser des cellules autrement transparentes dans la rétine, et dans le groupe de David, ils effectuent une imagerie par fluorescence dans les yeux d'animaux.

Quel est votre principal domaine de recherche actuel ?

AR S’il y avait un thème dans ce que je fais depuis une quinzaine d’années, c’est la structure et la fonction. Il s'avère que notre imageur AOSLO est également le meilleur eye tracker au monde. Vous pouvez suivre le mouvement des yeux très rapidement et avec précision, car vous pouvez voir le mouvement de cellules individuelles à l’arrière de l’œil. Nous sommes allés plus loin en utilisant le système laser à balayage non seulement pour imager la rétine, mais aussi pour contrôler le placement des images sur la rétine à l'échelle d'un seul cône.

Nous avons mesuré les propriétés fonctionnelles chez les humains vivants. Si vous étiez dans l'appareil, je pourrais envoyer des éclairs de lumière dans des cônes individuels et vous demander si vous pouviez les voir ou de quelle couleur vous voyez. Dès le début, nous avons cartographié la mosaïque de cônes, qui a été l'une des grandes découvertes possibles grâce à l'AO. Nous pouvons maintenant prendre cette mosaïque de cônes et commencer à poser des questions sur les circuits rétiniens de base ou sur les propriétés fondamentales de la vision humaine des couleurs. Nous faisons la même chose pour les maladies oculaires. Si nous examinons un ensemble de cellules chez un patient et que cela ne semble pas normal, nous nous intéressons aux conséquences fonctionnelles – pas seulement en voyant la structure de cette rétine malade, mais en nous interrogeant sur les résultats visuels.

DM Nous nous concentrons également sur la structure et la fonction, mais en utilisant AO-OCT. Le gros avantage de l’OCT est sa résolution axiale, qui vous permet de découper la profondeur de la couche rétinienne que vous souhaitez visualiser. Les cônes sont très lumineux et contrastés, mais les autres cellules ont tendance à être beaucoup plus difficiles à imager car elles réfléchissent beaucoup moins de lumière. Nous avons fait beaucoup de progrès en utilisant AO-OCT pour imager ces autres neurones de la rétine à différentes profondeurs. Pouvoir imager les cellules ganglionnaires de la rétine a été un grand pas en avant, car elles sont très transparentes et présentent un très faible contraste.

Nous utilisons également AO-OCT pour examiner la fonction des photorécepteurs. En 2000, Austin et David avaient développé leur méthode pionnière de densitométrie rétinienne AO ​​pour la classification des cônes. Vingt ans plus tard, nous pouvons utiliser les informations de phase fournies par AO-OCT pour mesurer des changements subtils dans l’allongement de ces cellules photoréceptrices lorsqu’elles sont stimulées par différentes couleurs de lumière. Cela s’est avéré être une manière beaucoup plus précise et beaucoup moins longue de procéder à la classification des cônes et constitue un bon exemple de l’évolution de la technologie d’imagerie AO.

Comment voyez-vous le domaine de l’AO évoluer à l’avenir ?

AR Dans mon laboratoire, nous nous concentrons beaucoup sur les mesures subjectives de la fonction, telles que les mouvements oculaires, l'acuité et la vision des couleurs. Mais j’imagine qu’à mesure que les techniques d’AO évoluent, nous serons en mesure de mesurer les propriétés fonctionnelles de la plupart des classes cellulaires de la rétine. À l’heure actuelle, Don a généré de belles images de cellules ganglionnaires en utilisant AO-OCT. Ce sont les dernières cellules avant que les signaux de la rétine n'atteignent le cerveau, c'est donc une classe de neurones dont la fonction nous intéresse beaucoup. En utilisant des méthodes de phase, ou des méthodes que nous ne pouvons même pas concevoir à l'heure actuelle, nous pourrons peut-être pour mesurer les propriétés fonctionnelles de ces neurones et d'autres neurones de la rétine.

L'imagerie par sous-diffraction de l'œil humain visualise les photorécepteurs avec des détails sans précédent

David, Don et moi sommes plongés dans la recherche fondamentale, mais beaucoup d'autres personnes réfléchissent à la manière d'introduire ces systèmes en clinique. L'AO n'est pas facile et n'est pas bon marché, c'est une technologie compliquée donc le chemin vers la clinique n'est pas facile. Il existe désormais quelques entreprises qui vendent des appareils d’imagerie AO, mais ils ne sont pas du tout utilisés systématiquement.

DM Le domaine de l’AO connaît des hauts et des bas entre la tentative d’améliorer les performances de l’AO et celle de rendre l’AO plus accessible et commercialement viable. Dans nos laboratoires, nous essayons d'obtenir les meilleures performances, en corrigeant les aberrations et en obtenant des images plus nettes à des fins de recherche ou cliniques. Mais il existe un tout autre aspect qui pousse cette technologie à la rendre plus compacte, moins chère et plus automatisée. Le véritable potentiel consiste à marier AO avec SLO et OCT pour un usage commercial. Je pense que ce n'est qu'une question de temps.

• Fondé en 1972 par l'industriel et philanthrope britannique Lord J Arthur Rank, le Rank Prize est décerné tous les deux ans dans les domaines de la nutrition et de l'optoélectronique. Le Prix sera officiellement décerné le 1er juillet 2024.

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• La source: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/