L'université Rockefeller concoit la plateforme TrUDI pour l'imagerie cérébrale profonde
Un microscope à trois photons repensé enregistre l'activité neuronale dans des cerveaux de souris intacts à l'échelle de la cellule unique.
Par Letizia Giugliano
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Des biophysiciens de l'université Rockefeller ont mis au point un système de microscopie qui enregistre l'activité neuronale au plus profond des tissus cérébraux vivants, sans qu'il soit nécessaire de retirer chirurgicalement les couches sus-jacentes. Cette innovation technique, décrite dans Nature Methods, multiplie par environ 250 l'efficacité de l'imagerie à trois photons tout en protégeant les structures neuronales délicates des dommages thermiques.
Reconstruire l'optique à trois photons de zéro
Imager des neurones individuels à l'intérieur de tissus vivants pose un défi physique persistant, car les structures cérébrales des mammifères diffusent la lumière. À mesure que les faisceaux optiques pénètrent plus profondément dans les tissus, la lumière diffusée crée une lueur de fond qui masque l'activité cellulaire. Les microscopes biphotoniques standard atteignent généralement des profondeurs d'environ 0,8 millimètre, tandis que les dispositifs triphotoniques classiques plafonnaient à environ 1,2 millimètre pour l'enregistrement fonctionnel, loin du seuil physique théorique de 2,3 millimètres dans les tissus de souris, selon les informations de MedicalXpress.
Pour combler cet écart, une équipe de recherche dirigée par Alipasha Vaziri, à la tête du Laboratory of Neurotechnology and Biophysics de l'université Rockefeller, a mis au point une invention optique baptisée Three-photon Ultra-Deep Imaging, ou TrUDI. Plutôt que d'adapter des composants commerciaux existants, le groupe a modélisé par calcul les limites de propagation optique et construit la configuration matérielle de zéro.
« Nous voulions adopter une approche à partir d'une page blanche. »
— Alipasha Vaziri, à la tête du Laboratory of Neurotechnology and Biophysics de l'université Rockefeller
Une énergie d'impulsion accrue et un balayage ciblé des cellules
L'excitation multiphotonique exige une intensité laser élevée, mais augmenter la puissance laser moyenne surchauffe et endommage les cellules cérébrales vivantes. L'équipe d'ingénieurs a résolu cet obstacle opérationnel en délivrant moins d'impulsions laser, mais dotées d'une énergie individuelle nettement supérieure, ce qui maintient la charge thermique moyenne globale sous des seuils sûrs.
Les chercheurs ont également modifié la manière dont le microscope focalise la lumière et balaie les tissus. Le système intègre un mécanisme d'excitation qui détecte les cellules individuelles et ne déclenche le faisceau laser que lorsqu'il balaie ces neurones cibles. Cette approche de balayage sélectif réduit jusqu'à 80 pour cent l'exposition totale des tissus au rayonnement laser lors d'expériences d'imagerie prolongées, comme le détaille MedicalXpress.
Capturer les signaux intacts de l'hippocampe et du striatum
La plateforme prototype sur mesure a permis de multiplier par 250 l'efficacité de l'imagerie par rapport aux configurations triphotoniques antérieures. Cette performance a permis aux chercheurs d'enregistrer l'activité fonctionnelle sur l'ensemble du cortex de la souris et d'examiner des structures plus profondes telles que l'hippocampe et le striatum sans retirer le tissu cortical sus-jacent.
Les essais expérimentaux documentés dans l'étude ont suivi l'activité neuronale chez des souris exprimant des indicateurs fluorescents, notamment GCaMP8m et la protéine fluorescente verte Thy1-EGFP. L'équipe a démontré une imagerie volumétrique sur un champ de vision de 230 par 230 par 1 680 micromètres cubes, capturant des signaux cellulaires transitoires individuels auparavant masqués par la diffusion optique, selon MedicalXpress — un pas important pour l'innovation biomédicale en neuro-imagerie des tissus profonds.
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