Les neurosciences connaissent une évolution significative grâce à une nouvelle technologie d’imagerie cérébrale. Un microscope à fluorescence biphotonique innovant permet désormais d’observer l’activité neuronale à haute vitesse et avec une résolution cellulaire, ouvrant la voie à une compréhension approfondie du fonctionnement cérébral.
Une équipe de chercheurs a mis au point un microscope à fluorescence biphotonique capable de capturer des images à haute vitesse de l’activité neuronale avec une résolution cellulaire. L’innovation technologique proposée surpasse les méthodes traditionnelles en termes de rapidité et de préservation des tissus cérébraux.
Le professeur Weijian Yang, responsable de l’équipe de recherche à l’Université de Californie à Davis, précise : «Notre nouveau microscope est idéalement conçu pour étudier la dynamique des réseaux neuronaux en temps réel, un aspect crucial pour comprendre les fonctions cérébrales fondamentales telles que l’apprentissage, la mémoire et la prise de décision.»
Les détails de cette avancée technologique ont été publiés dans la revue Optica, une publication dédiée à la recherche de pointe. Les chercheurs y décrivent le fonctionnement de leur microscope, qui intègre un nouveau schéma d’échantillonnage adaptatif et remplace l’illumination ponctuelle traditionnelle par une illumination linéaire.
Des performances impressionnantes pour l’imagerie in vivo
Les tests réalisés sur le cortex de souris vivantes ont démontré les capacités remarquables de ce nouvel outil. Le microscope permet une imagerie dix fois plus rapide que les techniques de microscopie biphotonique classiques, tout en réduisant de plus de dix fois la puissance laser appliquée au cerveau.
Yunyang Li, premier auteur de l’étude, souligne le potentiel de cette technologie pour la recherche médicale : «En fournissant un outil capable d’observer l’activité neuronale en temps réel, notre technologie pourrait être utilisée pour étudier la pathologie des maladies dès les premiers stades. Cela pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre et à traiter plus efficacement les maladies neurologiques telles que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et l’épilepsie.»
Une approche novatrice pour préserver les tissus cérébraux
L’équipe de recherche a développé une stratégie d’échantillonnage innovante pour surmonter les limitations des techniques existantes. Au lieu d’utiliser un point lumineux, le nouveau microscope utilise une courte ligne de lumière pour illuminer spécifiquement les zones du cerveau où les neurones sont actifs.
Cette approche permet d’exciter et d’imager une zone plus large en une seule fois, accélérant considérablement le processus d’imagerie. De plus, en se concentrant uniquement sur les neurones d’intérêt, la quantité totale d’énergie lumineuse déposée sur les tissus cérébraux est réduite, limitant ainsi les risques potentiels de dommages.
Le cœur du système repose sur un dispositif à micromiroirs numériques (DMD), une puce contenant des milliers de minuscules miroirs contrôlables individuellement. Ce composant permet de façonner et de diriger dynamiquement le faisceau lumineux, offrant un ciblage précis des neurones actifs.
Les chercheurs ont également développé une technique utilisant le DMD pour simuler un balayage ponctuel à haute résolution. Cette innovation permet de reconstruire une image haute résolution à partir de balayages rapides, fournissant ainsi un moyen efficace d’identifier les régions neuronales d’intérêt.
Des résultats prometteurs pour l’étude de l’activité neuronale
Les tests réalisés sur des tissus cérébraux de souris vivantes ont démontré la capacité du microscope à capturer des signaux calciques, indicateurs de l’activité neuronale, à une vitesse impressionnante de 198 Hz. Cette performance surpasse largement les microscopes biphotoniques traditionnels et permet de surveiller des événements neuronaux rapides qui échapperaient aux méthodes d’imagerie plus lentes.
La technique d’excitation linéaire adaptative, associée à des algorithmes de calcul avancés, permet d’isoler l’activité de neurones individuels. Cette capacité est cruciale pour interpréter avec précision les interactions neuronales complexes et comprendre l’architecture fonctionnelle du cerveau.
Perspectives futures pour la recherche en neurosciences
L’équipe de recherche travaille actuellement à l’intégration de capacités d’imagerie du voltage dans le microscope, afin d’obtenir une lecture directe et extrêmement rapide de l’activité neuronale. Les chercheurs prévoient également d’utiliser cette nouvelle méthode pour des applications concrètes en neurosciences, telles que l’observation de l’activité neuronale pendant l’apprentissage et l’étude de l’activité cérébrale dans des états pathologiques.
De plus, des efforts sont déployés pour améliorer la convivialité du microscope et réduire sa taille, afin d’accroître son utilité dans la recherche en neurosciences. Ces développements promettent d’enrichir considérablement notre compréhension du fonctionnement cérébral et des mécanismes sous-jacents aux maladies neurologiques.
Légende illustration : Un nouveau microscope à fluorescence à deux photons peut capturer des images à grande vitesse de l’activité neuronale à une résolution cellulaire grâce à un nouveau schéma d’échantillonnage adaptatif et à une illumination linéaire. L’illustration montre le schéma d’échantillonnage adaptatif, dans lequel un faisceau laser modelé par un dispositif à micromiroirs numériques illumine sélectivement les neurones dans le tissu cérébral afin d’obtenir une image de leur activité. Crédit : Wei Wei et Mei Xueting, LINGO.AI LLC
Article : Y. Li, S. Guo, B. Mattison, J. Hu, K. N. M. Man, W. Yang, “High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation,” 11, 8, pp. 1138-1145 (2024).
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.529930
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