CE19 - Technologies pour la santé

Microscopie à optique adaptative in-vivo pour la neuroscience – INOVAO

Microscopie à Optique Adaptative pour la Neuroscience - INOVAO

L'optique adaptative permet d'améliorer les performances d'imagerie de nombreux microscopes, en particulier sur objets biologiques. La technique souffre cependant de plusieurs contraintes qui limitent son adoption ou requièrent un forte complexité instrumentale. Grâce au développement d'une nouvelle approche de mesure de front d'onde, le projet INOVAO vise à relâcher ces contraintes et à démontrer un gain significatif de qualité d'image ds microscopes à sectionnement optique en neuroscience.

Imagerie fonctionnelle des réseaux neuronaux à profondeur accrue à l'aide d'une nouvelle approche d'optique adaptative pour la microscopie de fluorescence

La compréhension des fonctions neuronales est d'une importance capitale dans la compréhension des mécanismes impliqués dans diverses pathologies neurologiques. Pour cela, il est nécessaire d’enregistrer l’activité d'un vaste réseau de neurones, de manière non invasive, à haute résolution spatiale et temporelle. Les techniques d'imagerie optique combinées aux outils génétiques tendent actuellement à rendre cette étude possible, en particulier les microscopies de fluorescence à deux photons et à feuille de lumière. Ces techniques restent cependant limitées par: les faibles variations de fluorescence induites par l'activité neuronale, la profondeur d'imagerie limitée, la résolution spatiale dégradée en profondeur, qui ne permet pas une étude des signaux fonctionnels à l'échelle du neurone individuel. Une des raisons majeures de la perte de signal, en particulier en profondeur, dans les tissus, est la présence d’aberrations optiques dues aux inhomogénéités des propriétés optiques du tissu. Ces dernières années, l'optique adaptative a démontré qu'en mesurant puis corrigeant le front d'onde il est possible d’améliorer significativement le signal, la résolution et la profondeur d'imagerie en microscopie. <br />Le projet INOVAO se propose de : <br />- développer une approche innovante d'optique adaptative pour la microscopie à sectionnement optique, basée sur une mesure directe du front d'onde ne nécessitant pas d'étoile artificielle. <br />- développer 2 démonstrateurs de microscopes de fluorescence, à deux photons et à feuille de lumière, couplés à ce nouveau concept d'optique adaptative, et offrant une amélioration significative des performances d'imagerie de fluorescence des tissus neuronaux, en termes de champ, de contraste et de résolution. <br />- valider cette nouvelle approche d'optique adaptative et de quantifier son apport par des expériences d'imagerie fonctionnelle du cerveau in vivo chez la souris et la drosophile, à l’échelle de la cellule et sur des champs corrigés étendus.

La brique technologique principale du projet consiste en un analyseur de front d'onde de Shack Hartmann en source étendue, c'est-à-dire ne nécessitant pas la présence d'une «étoile artificielle« générant un front d'onde unique dans le volume de l'échantillon, besoin jusqu'ici rédhibitoire d'un point de vue biologique ou nécessitant une forte complexité instrumentale. Ce système de mesure permet une mise en oeuvre simplifiée de l'optique adaptative en microscopie, en particulier dans le cas de microscopes à sectionnement optique, ainsi que des performances optimales du fait de la mesure de front d'onde directe, comme précédemment démontré par l'état de l'art.

Pendant la première partie du projet, nous avons développé un analyseur de front d'onde de type Shack-Hartmann en source étendue optimisé pour un usage en microscopie de fluorescence, et démontré ses performances métrologiques. Un microscope à feuille de lumière intégrant une boucle d'optique adaptative basée sur cet analyseur a été développé, permettant de démontrer une amélioration significative de la qualité des images produites par correction des aberrations induites dans le cerveau vivant de la drosophile, sans clarification, à plusieurs dizaines de microns de profondeur. La nouvelle approche d'optique adaptative proposée démontre un excellent compromis entre les performances et la simplicité instrumentale.

Le projet INOVAO a permis de démontrer la faisabilité d'une nouvelle approche d'optique adaptative à mise en oeuvre simplifiée pour usage en microscopie, en particulier dans le domaine des neurosciences. Le projet représente la première étape vers l'exploitation commerciale de modules et/ou de systèmes d'optique adaptative pour la microscopie, plus particulièrement pour les systèmes de microscopie à feuille de lumière et à 2 photons.

Publications:
A. Hubert, F. Harms, R. Juvénal, P. Treimany, X. Levecq, V. Loriette, G. Farkouh, F. Rouyer, and A. Fragola, Adaptive optics light-sheet microscopy based on direct wavefront sensing without any guide star , Optics Letters 44 (10), 2514-2517 (2019)

Brevets:
Demande de brevet FR1901011 – Dispositifs d’analyse de front d’onde et systèmes d’imagerie microscopique comprenant de tels dispositifs. Date de dépôt : 01/02/2019 – Demandeur : Imagine Optic

La compréhension des fonctions neuronales est d'une importance capitale dans la compréhension des mécanismes impliqués dans diverses pathologies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaque ou l'épilepsie. Cette compréhension représente encore aujourd'hui un défi, le cerveau étant un système biologique complexe et dynamique contenant un très grand nombre de neurones. Pour déchiffrer leur organisation fonctionnelle, il est nécessaire d’enregistrer l’activité d'un vaste réseau de neurones, de manière non invasive, à haute résolution spatiale et temporelle. Les techniques d'imagerie optique combinées aux outils génétiques tendent actuellement à rendre cette étude possible, grâce aux récents progrès réalisés en parallèle en biochimie et en microscopie, comme le développement de protéines photo-activables et de techniques d'imagerie morphologique et fonctionnelle sur modèles animaux, comme la souris et la mouche (drosophile). La microscopie de fluorescence à deux photons et la microscopie à feuille de lumière sont ainsi particulièrement adaptées à l'imagerie du cerveau, offrant une excellente résolution spatiale (<1µm) et une grande sensibilité, sur de larges champs d'observation (400x400µm) et en profondeur dans les tissus (quelques centaines de micromètres). Elles permettent ainsi d'enregistrer la distribution spatiale et l'activité temporelle de protéines d'intérêt marquées. Malgré les nombreuses et récentes publications démontrant d’impressionnants résultats, ces techniques d'imagerie restent limitées par :
- les faibles variations de fluorescence induites par l'activité neuronale (typiquement 5 à 10% de fluctuation relative)
- la profondeur d'imagerie encore limitée (quelques centaines de microns)
- la résolution spatiale dégradée en profondeur, qui ne permet pas une étude des signaux fonctionnels à l'échelle du neurone individuel.
Une des raisons majeures de la perte de signal, en particulier en profondeur, dans les tissus, est la présence d’aberrations optiques dues aux inhomogénéités des propriétés optiques du tissu, déformant la phase de l'onde lumineuse ou front d'onde. Ces dernières années, l'optique adaptative a démontré qu'en mesurant puis corrigeant le front d'onde - typiquement grâce à un miroir déformable - il est possible d’améliorer significativement le signal, la résolution et la profondeur d'imagerie en microscopie.
Le projet INOVAO se propose de :
- développer une approche innovante d'optique adaptative pour la microscopie à sectionnement optique, basée sur une mesure directe du front d'onde par un nouvel analyseur de front d'onde. Cette approche permettra d’agrandir la taille du champ corrigé, typiquement d’un facteur 3.
- développer 2 démonstrateurs de microscopes de fluorescence, à deux photons et à feuille de lumière, couplés à ce nouveau concept d'optique adaptative, et offrant une amélioration significative des performances d'imagerie de fluorescence des tissus neuronaux, en termes de champ, de contraste et de résolution.
- valider cette nouvelle approche d'optique adaptative et de quantifier son apport par des expériences d'imagerie fonctionnelle du cerveau in vivo chez la souris et la drosophile, à l’échelle de la cellule et sur des champs corrigés étendus.
La réalisation de ces instruments originaux constituera la première étape du développement de nouveaux produits commerciaux.

Coordinateur du projet

Monsieur Fabrice Harms (IMAGINE OPTIC)

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

IO IMAGINE OPTIC
LPEM Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux
Neuro-PSI Institut des Neurosciences Paris Saclay
IBENS Institut de biologie de l'Ecole Normale Supérieure

Aide de l'ANR 597 415 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 42 Mois

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