Clichés inédits : une onde de choc dans une cellule

Nouvelle technique photographique révèle les dynamiques internes des cellules biologiques

Une équipe de l’Université de Tokyo a transcendé les limites de la photographie à grande vitesse, capturant des images d’une précision inégalée d’une onde de choc traversant une cellule biologique, grâce à une innovation nommée « circuit spectre ». Cette avancée ouvre des perspectives fascinantes pour la science, la médecine et l’industrie.

La photographie nanoseconde atteint une nouvelle dimension

La photographie nanoseconde, qui permet de saisir des images à la vitesse d’un milliardième de seconde, vient de franchir un cap significatif. Les chercheurs de l’Université de Tokyo ont mis au point un système, baptisé circuit spectre, qui surmonte les défis de qualité d’image et de temps d’exposition associés aux caméras électroniques ultra-rapides traditionnelles. Cette technologie promet des clichés à grande vitesse d’une netteté et d’une précision accrues.

Le circuit spectre fait le pont entre l’imagerie optique et les caméras électroniques conventionnelles, permettant de capturer des phénomènes ultra-rapides avec une réduction significative du flou et une plus grande exactitude. Les applications potentielles de cette technologie sont vastes, touchant aussi bien le domaine scientifique que médical et industriel.

Une observation inédite au cœur de la cellule

Takao Saiki, doctorant au Département de Génie de Précision de l’Université de Tokyo, a expliqué : « Pour la première fois dans l’histoire, à notre connaissance, nous avons directement observé l’interaction entre une cellule biologique et une onde de choc, et démontré expérimentalement que la vitesse de l’onde de choc se propageant à l’intérieur de la cellule est plus rapide qu’à l’extérieur de celle-ci. »

Cette méthode a permis de réaliser de la photographie à haute vitesse sur une large gamme temporelle, incluant les échelles picoseconde, nanoseconde et milliseconde.

La capture d’images claires de cellules sans affecter leur structure ou causer des dommages représente un défi majeur. Pour y parvenir en toute sécurité, les chercheurs ont développé un circuit optique de précision, qui utilise la lumière plutôt que l’électricité, et qu’ils ont nommé circuit spectre. Grâce à ce dernier, ils ont créé des impulsions laser non dommageables, émises à différents intervalles, et les ont combinées avec une technique d’imagerie optique existante appelée STAMP, pour obtenir des séries d’images de définition supérieure et moins floues.

Applications industrielles et médicales prometteuses

La même technologie a été utilisée pour examiner les effets de l’ablation laser sur le verre, un processus utile pour enlever précisément la matière solide d’une surface, utilisé tant dans l’industrie que dans la médecine. Les chercheurs ont observé l’impact du laser, les ondes de choc résultantes et leur effet sur le verre à l’aide du circuit spectre, sur des échelles de temps allant du picoseconde au milliseconde.

Keiichi Nakagawa, professeur associé aux départements de Bioingénierie et de Génie de Précision de l’Université de Tokyo, a précisé : « Notre technologie offre l’opportunité de révéler des phénomènes à grande vitesse utiles mais inconnus, en nous permettant d’observer et d’analyser de tels processus ultra-rapides. »

L’équipe prévoit d’utiliser cette technique d’imagerie pour visualiser l’interaction des cellules avec des ondes acoustiques, comme celles utilisées dans les ultrasons et la thérapie par ondes de choc, afin de comprendre les processus physiques primaires qui activent les effets thérapeutiques dans le corps humain. Ils souhaitent également améliorer les techniques de traitement au laser, en identifiant les paramètres physiques qui permettraient une fabrication plus rapide, précise, cohérente et économique.

En synthèse

La photographie à grande vitesse a franchi un nouveau seuil avec le développement du circuit spectre par l’Université de Tokyo. Cette avancée permet de capturer des phénomènes ultra-rapides avec une clarté et une précision sans précédent. Les implications de cette technologie sont considérables, offrant de nouvelles perspectives dans la recherche scientifique, les applications médicales et les processus industriels. L’avenir de la visualisation de phénomènes complexes s’annonce prometteur grâce à cette innovation.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la photographie nanoseconde ?

La photographie nanoseconde est une technique qui permet de capturer des images à la vitesse d’un milliardième de seconde, révélant des détails de phénomènes très rapides qui seraient autrement invisibles à l’œil nu.

En quoi consiste le circuit spectre ?

Le circuit spectre est un système optique de précision qui utilise la lumière pour capturer des images à grande vitesse avec moins de flou et plus de précision, en combinant différentes échelles de temps.

Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?

Cette technologie a des applications potentielles dans de nombreux domaines, notamment la recherche scientifique, la médecine, l’industrie, la fabrication de matériaux, l’environnement et l’énergie.

Quels sont les avantages de cette méthode par rapport aux techniques existantes ?

Elle permet de prendre des images de haute définition sur une large gamme temporelle, avec moins de dommages pour les structures biologiques et une meilleure compréhension des processus physiques rapides.

Quels sont les prochains objectifs de l’équipe de recherche ?

L’équipe envisage d’utiliser cette technique pour étudier l’interaction des cellules avec des ondes acoustiques et améliorer les techniques de traitement au laser pour une fabrication plus efficace.

Références

Légende illustration principale : Images d’une onde de choc sous-marine se déplaçant dans une cellule HeLa. Grâce à cette nouvelle technologie, les chercheurs ont pu voir la différence entre la façon dont l’onde de choc se déplace à l’intérieur et à l’extérieur d’une cellule immergée dans l’eau. Ils ont noté que les résultats suggèrent que la structure de la cellule se déplace en fonction de la position du front d’onde visualisé (illustré par la ligne rouge/orange sur l’image). 2023 Saiki et al.

Takao Saiki, Keitaro Shimada, Ayumu Ishijima, Hang Song, Xinyi Qi, Yuki Okamoto, Ayako Mizushima, Yoshio Mita, Takuya Hosobata, Masahiro Takeda, Shinya Morita, Kosuke Kushibiki, Shinobu Ozaki, Kentaro Motohara, Yutaka Yamagata, Akira Tsukamoto, Fumihiko Kannari, Ichiro Sakuma, Yuki Inada, Keiichi Nakagawa, « Single-shot optical imaging with spectrum circuit bridging timescales in high-speed photography, » Science Advances: December 20, 2023, doi:10.1126/sciadv.adj8608.