Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont mis en évidence un phénomène contre-intuitif : une lumière laser plongée dans le chaos peut, spontanément, se réorganiser en un faisceau d’une finesse remarquable à l’intérieur d’une fibre optique multimode ordinaire. Publiés dans la revue Nature Methods, les travaux de l’équipe bouleversent la compréhension établie de la physique des lasers et débouchent déjà sur une technique d’imagerie capable de scruter la barrière hémato-encéphalique humaine avec une rapidité inédite.
Une découverte née en repoussant les limites
L’expérience fondatrice a été menée par Honghao Cao, doctorant au département de génie électrique et informatique du MIT. Le jeune chercheur a soumis une fibre optique multimode à une puissance laser proche de son seuil de rupture. En temps normal, accroître l’intensité lumineuse dans une telle fibre accentue la diffusion du rayonnement, qui devient de plus en plus désordonné. Mais aux limites du point d’endommagement, l’effet inverse s’est produit : la lumière s’est soudainement condensée en un faisceau unique, étroit et remarquablement focalisé.
Pour reproduire le phénomène, deux conditions doivent être réunies. Le laser doit pénétrer dans la fibre sous un angle rigoureusement nul, et la puissance doit atteindre un niveau tel que la lumière interagit de manière non linéaire avec le verre lui-même. Une fois cette intensité critique franchie, les effets non linéaires contrebalancent le désordre structurel de la fibre, générant un faisceau stable sans recourir au moindre dispositif de mise en forme.
« La croyance répandue dans ce domaine est que si l’on augmente la puissance dans ce type de laser, la lumière devient inévitablement chaotique. Mais nous avons prouvé que ce n’est pas le cas« , a indiqué Sixian You, professeure assistante au département EECS et auteure principale de l’article.
Une imagerie de la barrière hémato-encéphalique 25 fois plus rapide
L’équipe du MIT a immédiatement cherché à exploiter le faisceau en crayon pour l’imagerie biomédicale. Leur cible : la barrière hémato-encéphalique humaine, couche de cellules étroitement jointives qui protège le cerveau des toxines tout en bloquant l’entrée de la quasi-totalité des médicaments.
Les méthodes optiques classiques ne capturent qu’une coupe bidimensionnelle à la fois de la vascularisation de la barrière. La nouvelle technique, elle, produit des images tridimensionnelles à l’échelle cellulaire environ 25 fois plus vite que l’approche de référence, sans compromis sur la résolution. Autre avantage notable : le faisceau est exempt de lobes secondaires, ces halos parasites qui dégradent la netteté des images obtenues avec d’autres lasers. Les détails spatiaux gagnent ainsi en précision, jusqu’aux échelles cellulaire et moléculaire.
« Cette méthode ne nécessite pas que les cellules soient marquées par un agent fluorescent, c’est là une avancée considérable. Pour la première fois, nous pouvons visualiser l’entrée des médicaments dans le cerveau en temps réel et même déterminer la vitesse à laquelle des types cellulaires spécifiques internalisent le composé« , a expliqué Roger Kamm, professeur distingué Cecil et Ida Green en ingénierie biologique et mécanique au MIT.
Un levier pour la recherche pharmaceutique
La technologie s’attaque à un goulet d’étranglement persistant de la recherche pharmaceutique : déterminer si les molécules expérimentales destinées à traiter les maladies neurodégénératives, comme la maladie d’Alzheimer ou la sclérose latérale amyotrophique, franchissent effectivement la barrière hémato-encéphalique et atteignent leur cible. Les modèles animaux s’avérant souvent peu représentatifs des résultats observés chez l’humain, la capacité de suivre en continu l’absorption de candidats-médicaments dans des modèles tissulaires d’origine humaine pourrait modifier en profondeur les processus de sélection préclinique.
Les chercheurs du MIT entendent désormais explorer les mécanismes physiques fondamentaux qui sous-tendent l’auto-organisation lumineuse. Ils prévoient également d’étendre la technique à l’imagerie des neurones cérébraux, avec, à terme, une possible commercialisation du dispositif.
Article : « Self-localized ultrafast pencil beam for volumetric multiphoton imaging » – DOI : 10.1038/s41592-026-03067-0
Source : MIT
