Une nouvelle technique d’imagerie permet de voir à travers les structures osseuses

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| Seokchan Yoon et al. 2020

Au cours des dernières années, les techniques d’imagerie médicale se sont perfectionnées au point qu’aujourd’hui, il est possible de sonder le corps humain à tous les niveaux à des fins de diagnostic. Cependant, la qualité de l’image résolue dépend de la profondeur d’observation et des objets. Et certaines structures — tels que les os et certains tissus épais — diffusent la lumière de telle manière que, souvent, l’image obtenue est peu claire et difficilement interprétable. Certaines méthodes permettent de corriger ces aberrations optiques, mais seulement à des niveaux superficiels ou en lésant les tissus. Mais récemment, des chercheurs ont développé une nouvelle technique d’imagerie permettant de sonder avec précision les structures osseuses sans léser les structures biologiques.

Une équipe de physiciens a trouvé un moyen de créer une image claire à partir de la lumière infrarouge diffusée émise par un laser, même après avoir traversé une épaisse couche d’os. « Notre microscope nous permet d’étudier de fines structures internes enfouies profondément dans les tissus vivants, qui ne peuvent être résolues par aucun autre moyen », indiquent les physiciens Seokchan Yoon et Hojun Lee de l’Université de Corée du Sud.

Alors qu’une technique appelée microscopie à trois photons a précédemment réussi à capturer des images de neurones dans le crâne de souris, la plupart des tentatives pour obtenir des images détaillées de têtes d’animaux à enveloppe osseuse nécessitent de faire des ouvertures dans le crâne. La microscopie à trois photons utilise des longueurs d’onde plus longues et un gel spécial pour aider à voir au-delà de l’os, mais cette méthode combine les fréquences lumineuses d’une manière qui risque d’endommager les molécules biologiques fragiles.

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Une matrice de réflexion pour traiter les aberrations optiques

En combinant les techniques d’imagerie avec la puissance de l’optique adaptative computationnelle précédemment utilisée pour corriger la distorsion optique en astronomie au sol, Yoon et ses collègues ont pu créer les toutes premières images haute résolution de réseaux neuronaux de souris en laissant les structures osseuses intactes

comparaison microscopie conventionnelle matrice reflexion
Comparaison de précision entre la microscopie conventionnelle (gauche) et la microscopie à matrice de réflexion laser (droite). Crédits : Seokchan Yoon et al. 2020

Ils appellent leur nouvelle technologie d’imagerie la « microscopie matricielle à réflexion laser » (LS-RMM). Elle est basée sur la microscopie confocale à balayage laser conventionnelle, sauf qu’elle détecte la diffusion de la lumière non seulement à la profondeur à laquelle l’image est photographiée, mais obtient également une réponse complète d’entrée-sortie de l’interaction lumière-milieu — sa matrice de réflexion.

Lorsque la lumière (dans ce cas, provenant d’un laser) traverse un objet, certains photons traversent directement, tandis que d’autres sont déviés. L’os, avec sa structure interne complexe, est particulièrement efficace pour diffuser la lumière. Plus la lumière doit voyager loin, plus ces photons balistiques se dispersent hors de l’image. La plupart des techniques de microscopie reposent sur ces ondes lumineuses droites pour créer une image claire et lumineuse. La LS-RRM utilise une matrice spéciale pour tirer le meilleur parti de tous les rayons de lumière aberrants.

Vers un perfectionnement des techniques de neuroimagerie

Après avoir enregistré la matrice de réflexion, l’équipe a utilisé la programmation d’optique adaptative pour trier quels photons définissent l’image et quels sont eux qui l’obscurcissent. Avec un modulateur spatial de lumière pour aider à corriger d’autres aberrations physiques qui se produisent à de si petites échelles d’imagerie, ils ont pu générer une image des réseaux neuronaux de souris à partir des données.

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Neurones de souris observés au microscope avant et après correction des aberrations par l’algorithme de la matrice de réflexion. Crédits : Seokchan Yoon et al. 2020

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« L’identification des aberrations du front d’onde est basée sur le contraste de réflectance intrinsèque des cibles. En tant que telle, elle ne nécessite pas de marquage fluorescent et une puissance d’excitation élevée », expliquent les auteurs. La visualisation des structures biologiques dans leur contexte naturel a le potentiel d’en révéler davantage sur leurs rôles et fonctions, et de permettre une détection plus facile des problèmes.

« Cela nous aidera grandement dans le diagnostic précoce des maladies et accélérera la recherche en neurosciences », indiquent les chercheurs. La LS-RMM est limitée par la puissance de calcul, car elle nécessite des calculs intenses et chronophages pour traiter les aberrations complexes à partir de petites zones détaillées. Mais l’équipe suggère que leur algorithme de correction d’aberration pourrait également être appliqué à d’autres techniques d’imagerie, pour leur permettre de résoudre également des images plus profondes.

Sources : Nature Communications

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