La compensation des aberrations optiques induites par l’échantillon est cruciale pour visualiser les structures microscopiques situées en profondeur dans les tissus biologiques. Une forte diffusion multiple limite cependant la capacité de détecter et de réparer les erreurs induites par les tissus.
Par conséquent, pour obtenir une image des tissus profonds à haute résolution, il est essentiel de supprimer les ondes à diffusion multiple et d’augmenter le rapport des ondes à diffusion unique. Les scientifiques, dirigés par le directeur associé CHOI Wonshik du Centre de spectroscopie et de 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, pour voir à travers le crâne et imaginer le cerveau.
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 retirer le crâne.
En 2019, des scientifiques de IBS– a développé pour la première fois un microscope holographique à résolution temporelle à grande vitesse, capable d'éliminer les diffusions multiples. En même temps, il mesure l’amplitude et la phase de la lumière.
À l’aide du microscope, ils ont pu observer le réseau neuronal de poissons vivants sans chirurgie incisionnelle. Cependant, il était difficile d’obtenir une image du réseau neuronal du cerveau de la souris, car le crâne d’une souris est plus épais que celui d’un poisson.
L’équipe d’étude a pu analyser quantitativement la façon dont la lumière et la matière interagissent, ce qui leur a permis de développer davantage leur premier microscope. Cette étude récente a rapporté le développement réussi d’un microscope holographique tridimensionnel à résolution temporelle de très grande profondeur qui permet l’observation des tissus à une plus grande profondeur que jamais.
Les scientifiques, en particulier, ont développé 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.
Pour découvrir le mode de résonance qui optimise les interférences constructives (interférences qui se produisent lorsque des ondes de même phase se chevauchent), un algorithme complexe et une opération numérique examinant le mode propre d'un milieu (une onde distincte qui distribue l'énergie lumineuse dans un milieu) sont utilisés. Cela a permis au nouveau microscope de filtrer sélectivement les signaux indésirables tout en concentrant plus de 80 fois plus d’énergie lumineuse sur les fibres cérébrales qu’auparavant. Cela a permis d'augmenter le rapport entre les ondes à diffusion unique et les ondes à diffusion multiple de plusieurs ordres de grandeur.
Les scientifiques ont ensuite testé la technologie en observant le cerveau d’une souris. Même à une profondeur où l'utilisation de la technologie actuelle était auparavant impossible, la distorsion du front d'onde a pu être corrigée à l'aide du microscope. Le nouveau microscope a réussi à visualiser le réseau neuronal du cerveau de la souris sous le crâne, en haute résolution. Tout cela a été réalisé dans le visible sans retirer le crâne de la souris et sans utiliser de marqueur fluorescent.
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, nos travaux ont reçu une grande attention de la part du monde universitaire. Des principes de base à l'application pratique de l'observation du réseau neuronal 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 dans les domaines de la physique, de la vie et cerveau science."
Le directeur associé CHOI Wonshik a déclaré : « Depuis longtemps, notre Centre développe une technologie de bioimagerie en très grande profondeur qui applique des principes physiques. On s’attend à ce que nos découvertes actuelles contribuent grandement au développement de la recherche interdisciplinaire biomédicale, y compris les neurosciences et l’industrie de la métrologie de précision.
Journal de référence:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Imagerie cérébrale à travers le crâne in vivo aux longueurs d'onde visibles via la microscopie optique adaptative à réduction de dimensionnalité. Science Advances, 2022 ; 8 (30) DOI : 10.1126/sciadv.abo4366
