CE42 - Capteurs, instrumentation

Imagerie de Speckle Super-résolue à travers des milieux diffusants – SpeckleSTED

Résumé de soumission

Ces dernières années, la microscopie de fluorescence à super-résolution a largement contribué à la compréhension de nombreux processus biologiques nanométriques dans des échantillons vivants. Cependant, les tissus biologiques sont diffusants pour la lumière. Au-delà de 100 microns de profondeur, les faisceaux lumineux cohérents sont dégradés en des structures lumineuses aléatoires appelées « speckles ». Imager en profondeur dans les tissus reste donc un défi, en apparence particulièrement incompatible avec la super-résolution: sujet qui reste globalement inexploré.

Le projet SpeckleSTED a pour but d’explorer une approche innovante pour faire de l’imagerie super-résolue à travers des milieux diffusants, et en particulier dans les tissus, en utilisant les speckles et les propriétés des milieux diffusants à notre avantage. En effet, les speckles, qui apparaissent à travers les milieux diffusants, contiennent naturellement les structures nécessaires à la microscopie super-résolue.

La technique proposée s’appuie sur les démonstrations récentes qu’il est possible d’imager des échantillons fluorescents à travers des milieux fortement diffusants en utilisant directement le faisceau perturbé focalisé sur l’objet sans contrôle actif du front d’onde. L’image alors enregistrée est une image floue de l’objet. Cependant, il a été démontré qu’un algorithme numérique [1] permet de retrouver l’image nette de l’objet [2].

Dans le laboratoire de Neurophotonique, j’ai développé un microscope à super-résolution STED peu après son invention ; technique qui s’est vue attribuer le prix Nobel de chimie en 2014. Un microscope STED repose sur le principe d’un microscope confocale augmenté d’un faisceau laser en forme d’anneau centré sur le point d’excitation. La résolution est alors améliorée en confinant la fluorescence à des dimensions sub-diffractive par saturation de la probabilité de désexcitation avec l’anneau. La limite de diffraction est franchie en saturant l’émission stimulée. Le faisceau en anneau est généralement un « faisceau vortex » : un faisceau dont l’intensité est nulle sur l’axe optique et qui possède une phase hélicoïdale tout autour. La phase du champ au centre est indéfinie (ou « singulière »)

Les speckles sont généralement décrits comme des ensembles de taches lumineuses mais elles contiennent également une forte densité de vortex optiques, tels que ceux utilisés en microscopie STED. Des travaux récents ont montré que même en régime linéaire, imager avec des speckles permettaient un gain en résolution [3]. Ici, nous notons que la présence de vortex dans les speckles en fait de parfait candidats pour vaincre la limite de diffraction en saturant une transition optique. Pour commencer, nous avons récemment démontré [4] la capacité de ces structures à confiner la fluorescence dans des dimensions sub-diffraction. Cette propriété nous a donc permis, très récemment, de faire de de la microscopie speckle super-résolue en trois dimensions par saturation de l’excitation de fluorescence [5]. De plus, la microscopie STED requérant deux faisceaux (pour l’excitation et la désexcitation) présentant des profils d’intensité inverses, nous avons également décrit une technique permettant d’échanger, de manière déterministe, la position des vortex et des maxima de speckles à travers un diffuseur [6].

Le projet SpeckleSTED se propose de démontrer la possibilité d’obtenir des images super-résolues avec des speckles à travers des diffuseurs modèles et des tissus biologiques.

1. Fienup, Appl. Opt., 1982. 21(15): p. 2758-2769.
2. Bertolotti, et al., Nature, 2012. 491(7423): p. 232-234.
3. Mudry, et al., Nat. Photon., 2012. 6(5): p. 312-315.
4. Pascucci, M., G. Tessier, V. Emiliani, and M. Guillon, Phys. Rev. Lett., 2016. 116(9): p. 093904.
5. Pascucci, M., Ganesan, S., Katz, O., Emiliani, V., Guillon, M., arXiv :1710.05056
6. Gateau, J., H. Rigneault, and M. Guillon, Phys. Rev. Lett. 2017. 118(4): p. 5.

Coordinateur du projet

Monsieur Marc GUILLON (Neurophotonique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPDescartes-UMR 8250 Neurophotonique

Aide de l'ANR 328 580 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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