amélioration des techniques de MICroscopie par Optique ADaptative – MICADO

La microscopie optique est une technique incontournable des sciences de la vie, en particulier pour l'étude de phénomènes intracellulaires. Cependant, les demandes sont multiples (neurophysiologie, biopsie, biologie, ...) et croissants dans le domaine de l'imagerie cellulaire "in vivo", c'est-à-dire dans des tissus intacts. La tache est difficile car les tissus sont des milieux hétérogènes, qui affectent la propagation de la lumière, provoquant des phénomènes de diffusion et introduisant des aberrations lors d'une investigation en profondeur. Ces effets réduisent signal et contraste dans les techniques optiques classiques (comme en microscopie confocale). et empêchent une bonne imagerie en profondeur.
L'objectif de ce projet est de développer des techniques de correction robustes pour l'imagerie en microscopie multiphotonique ou OCT en milieu "épais", et valider ces concepts en neurosciences, embriologies ou encore sur la peau. L'introduction de l'optique adaptative en microscopie multiphotonique et OCT est très prometteuse pour de nombreux champs de recherche.
L'objectif du projet est de valider des concepts d'optique adaptative applicable à la microscopie et d'aboutir à un démonstrateur.//Il est à présent bien connu que la résolution, lorsque l'on veut imager en profondeur dans les échantillons, peut être dégradée par des aberrations générées par le specimen.
L'utilisation d'objectifs de fortes ouvertures combinés aux effets de transition de milieux à indices différents ont tendances à exacerber le problème. De plus les aberrations peuvent considérablement réduire le nombre de photons qui atteignent au final le détecteur entrainant de faibles contrastes. Pour ces raisons, l'optique adaptative est la nouvelle approche qui permettrait d'améliorer la qualité des images pour l'inspection, en profondeur, d'échantillons biologiques.
Quelques groupes en microscopie travaillent sur l'association de l'optique adaptative et de la microscopie :
- en 2004, Paul Marsh a combiné optique adaptative et microscopie 2 photons et a montré la possibilité d'améliorer le contraste des images.
- en 2004-2005, Tony Wilson a integré de l'optique adaptative dans un microscope confocal à balayage
- en 2006, Winfried Denk, a développé avec succés un microscope 2 photons intégrant une boucle d'optique adaptative basée sur l'association d'un analyseur de front d'onde et d'un miroir déformable
Récemment plusieurs laboratoires de biologie, surtout basés aux USA, ont commencé à travailler sur le sujet. C'est le cas du "Microscopy lab" et du "Bioengineering lab" tous 2 au MIT, le Sedat lab (UCSF) ou le Howard Hugues Medical Institute (Maryland).
//Notre consortium associe une entreprise leader, dans le monde de l'optique adaptative "industrielle" et des fabricants de miroirs déformables (Imagine Optic, IO), à 3 laboratoires présentant des expertises complémentaires en imagerie d'échantillons "profonds". L'ENS maitrise l'imagerie du cortex in vivo chez le petit animal. Le laboratoire de l'Ecole Polytechnique est un leader dans les techniques d'imageries cohérentes et non linéaires (THG, SHG, CARS) et dans leurs applications en imagerie du développement d'embryon et de muqueuses (langue, levres, reins). L'ESPCI est sans doute la référence de l'imagerie OCT et de ses applications médicales. A noter que tous les partenaires ont une grande expérience du développement de techniques et de méthodes d'imagerie.//WP1: analyse des besoins de la microscopie en optique adaptive et spécifications
Cette tache conduira aux spécifications de l'ensemble des composants nécessaires et du système
WP2: mise en peuvre d'une boucle d'optique adaptive utilisant le signal rétro-diffusé pour la mesure de front d'onde par Shack-Hartmann
Cette partie mènera à la réalisation d'une maquette de laboratoire et à une évaluation complète de ce concept à l'ENS
WP3: mise en oeuvre d'une solution d'optique adaptative modale itérative
Cette phase verra la réalisation d'une maquette et son évaluation complète à Polytechnique
WP4: interféromètre OCT pour le controle de front d'onde dans les tissus
Cette tache permettra d'intégrer un miroir déformable dans un système OCT, et de valider ce concept de mesure de front d'onde (OCI), à l'ESPCI
WP5: réalisation d'un démonstrateur intégrant les différentes solutions
Cette dernière étape dans le projet sera une synthèse de l'ensemble des concepts développés et aboutira à un démonstrateur "multifonctionnels" sur un 2PEF à l'ENS

//La PI doit être envisagée du point de vue composant (analyseur, miroir déformable) et du point de vue système (microscopie et optique adaptative). Ce dernier sujet est en pleine évolution, tous les concepts évoqués étant vraiment récents. De nombreux brevets seront déposés dans un futur proche et MICADO doit nous aider à prendre des brevets dans ce domaine.
IO détient 5 brevets en analyse de front d'onde (étendus en Europe, aux USA et au Japon). L'ESPCI (et ses partenaires détiennent également plusieurs brevets sur la microscopie ou sur des sujets connexes. En outre IO détient une licence d'exploitation exclusive (hors ophtalmique et astronomie) d'une technologie de miroir déformable magnétique développée pâr le LAOG (CNRS).
Quelques brevets existent sur l'optique adaptative en microscopie, principalement pour des applications de microscope à balayage optique. Aucune menace réelle n'a été identifiée.