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Méthodes d'hyperrésolution optique et leurs applications pour l'imagerie biomédicale

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2013
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L'étude du système nerveux ne peut se faire sans une étude structurale et fonctionnelle de la centaine de milliards de neurones qui le composent. Avec le développement des marqueurs fluorescents à la fin du 20e siècle, la microscopie optique est devenue le meilleur compromis entre les analyses structurale (haute résolution spatiale) et fonctionnelle (cellules vivantes, haute sélectivité). Il est cependant bien connu, et ce, depuis la fin du 19e siècle, que les microscopes optiques sont limités par la diffraction de la lumière à une résolution de 200 nm environ ; il est donc impossible de discriminer la plupart des sous-structures cellulaires avec ces modalités. Il a fallu attendre les années 1990 pour voir apparaître des techniques d'imagerie optique permettant de « franchir la limite de diffraction » ; les microscopes STED (STimulated Emission Depletion), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) ou STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) ont notamment permis d'attendre une résolution de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Cependant, la résolution spatiale des techniques d'« hyperrésolution » est souvent obtenue au détriment des autres performances des microscopes : dépendance vis-à-vis des marqueurs fluorescents, résolution temporelle limitée, photodommages, systèmes optiques complexes, . . . L'objectif de nos travaux est donc de proposer des solutions simples et implantables dans des microscopes optiques par balayage laser existants, qui permettraient d'en augmenter la résolution transversale en faisant peu de compromis sur leurs autres caractéristiques techniques. Dans cette thèse, nous proposons d'augmenter la résolution des microscopes optiques par balayage laser en modifiant le patron d'illumination utilisé. Nous avons abordé le problème de deux façons : une approche directe permettant de réduire le volume d'excitation en remplaçant le faisceau gaussien utilisé dans les microscopes conventionnels par le mode transverse magnétique TM01 de polarisation radiale ; et une approche indirecte basée sur deux excitations successives de l'échantillon avec un faisceau gaussien et un faisceau « sombre » ayant un minimum d'intensité au centre. Avec cette dernière approche, entièrement compatible avec les systèmes commerciaux, nous avons augmenté la résolution des microscopes confocaux d'un facteur 2 en faisant pour seul compromis la double excitation de l'échantillon.
The nervous system cannot be analyzed without structural and functional observations of its hundred of billions of neurons. Since the discovery of fluorescent probes, at the end of the 20th century, optical microscopes became the best trade-off between structural (high resolution) and functional (live cells, high selectivity) analysis. However, it is well known, since the end of the 19th century, that the resolution of a focusing light microscope is limited by diffraction to about 200 nm; most of sub-cellular compartments cannot be discriminate with those modalities. We had to wait the end of the 90th, to witness the development of novel microscopy techniques "breaking the diffraction barrier"; STED (STimulated Emission Depletion), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) and STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) achieved spatial resolution of about 10 nm. However, most of those "superresolution" techniques are probe dependent (PALM/ STORM), or require high power laser and a complete modification of the microscope (STED). The goal of this thesis is to develop novel, low-power, and retrofittable "superresolution" procedures in laser scanning microscopy without limiting the specifications of conventional modalities (probe dependency, photodommage, simplicity, temporal resolution, . . . ). In this thesis, we propose to increase the resolution of laser scanning microscopes by structuring the illumination. The issue is tackled in two different ways: a direct approach where the excitation volume is reduced by changing the Gaussian beam used in conventional systems into a radially polarized transverse magnetic TM01 beam, and an indirect approach based on two successive illuminations of the sample with a Gaussian beam and a "dark" beam having a minimum of intensity at its center. With the later approach, we doubled the spatial resolution of confocal microscopes while keeping the specifications of the conventional systems except from doubling the temporal resolution.
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thèse de doctorat