Des scientifiques du MIT transforment la lumière laser chaotique en un puissant outil d’imagerie cérébrale
Des chercheurs du MIT ont identifié un effet inattendu en physique optique qui pourrait conduire à une manière plus rapide et plus détaillée d’imager les tissus vivants. Dans des conditions spécifiques, ce qui ressemble normalement à un signal laser dispersé et désordonné peut se réorganiser en un « faisceau de crayon » étroit et hautement focalisé.
Avec ce faisceau auto-formé, l’équipe a produit des images 3D de la barrière hémato-encéphalique humaine à des vitesses environ 25 fois plus rapides que l’approche de référence actuelle, tout en préservant une qualité d’image similaire. La méthode permet également d’observer les cellules individuelles absorber les médicaments en temps réel. Cela pourrait aider les scientifiques à évaluer si les traitements contre des maladies telles que la maladie d’Alzheimer ou la SLA atteignent réellement leurs cibles dans le cerveau.
“La croyance commune dans le domaine est que si vous augmentez la puissance de ce type de laser, la lumière deviendra inévitablement chaotique. Mais nous avons prouvé que ce n’est pas le cas. Nous avons suivi les preuves, accepté l’incertitude et trouvé un moyen de laisser la lumière s’organiser en une nouvelle solution pour la bioimagerie”, explique Sixian You, professeur adjoint au département de génie électrique et d’informatique (EECS) du MIT, membre du laboratoire de recherche en électronique et auteur principal d’un article sur cette technique d’imagerie.
Elle est rejointe dans l’article par l’auteur principal Honghao Cao, étudiant diplômé de l’EECS ; Li-Yu Yu et Kunzan Liu, étudiants diplômés de l’EECS ; les postdoctorants Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton et Federico Presutti ; Zhengyu Zhang PhD ’24; Subhash Kulkarni, professeur adjoint à l’Université Harvard et au Beth Israel Deaconess Medical Center ; et Roger Kamm, professeur distingué Cecil et Ida Green de génie biologique et mécanique au MIT. L’article paraît aujourd’hui dans Nature Methods.
Un comportement surprenant du laser émerge
La découverte a commencé par une observation qui ne correspondait pas aux attentes.
Les chercheurs avaient préalablement construit une étude précise façonneur de fibresun dispositif qui permet un contrôle minutieux de la lumière laser traversant une fibre optique multimode, capable de transporter des niveaux de puissance élevés.
Cao a progressivement augmenté la puissance du laser pour tester les limites de la fibre.
Normalement, l’augmentation de la puissance entraîne une plus grande diffusion de la lumière en raison des imperfections à l’intérieur de la fibre. Au lieu de cela, alors que la puissance approchait du seuil où la fibre pourrait être endommagée, la lumière s’est soudainement concentrée en un seul faisceau extrêmement pointu.
“Le désordre est intrinsèque à ces fibres. L’ingénierie lumineuse que vous devez généralement réaliser pour surmonter ce désordre, en particulier à haute puissance, est un problème de longue date. Mais avec cette auto-organisation, vous pouvez obtenir un faisceau crayon stable et ultrarapide sans avoir besoin de composants de mise en forme de faisceau personnalisés”, explique You.
Conditions permettant une lumière auto-organisée
Pour reproduire cet effet, l’équipe a identifié deux exigences clés.
Premièrement, le laser doit pénétrer dans la fibre selon un angle de zéro degré parfaitement aligné, ce qui est plus strict que la pratique standard. Deuxièmement, la puissance doit être augmentée jusqu’à ce que la lumière commence à interagir directement avec le matériau en verre de la fibre.
“À cette puissance critique, la non-linéarité peut contrecarrer le désordre intrinsèque, créant un équilibre qui transforme le faisceau d’entrée en un faisceau crayon auto-organisé”, explique Cao.
De telles conditions sont rarement explorées car les chercheurs évitent généralement les niveaux de puissance élevés pour éviter d’endommager la fibre. Un alignement précis n’est généralement pas non plus nécessaire puisque les fibres multimodes peuvent déjà transporter de grandes quantités d’énergie.
Cependant, lorsqu’ils sont combinés, ces facteurs permettent au système de produire un faisceau stable sans ingénierie optique complexe.
“C’est le charme de cette méthode : vous pouvez le faire avec une configuration optique normale et sans grande expertise du domaine”, explique You.
Une imagerie plus nette avec moins d’artefacts
Les tests ont montré que ce faisceau crayon est à la fois stable et très détaillé par rapport aux faisceaux similaires. De nombreux faisceaux conventionnels produisent des « lobes latéraux » – des halos flous qui réduisent la clarté de l’image.
En revanche, ce faisceau reste propre et bien focalisé.
Les chercheurs ont ensuite appliqué cette technique pour imager la barrière hémato-encéphalique humaine, une couche dense de cellules qui protège le cerveau des substances nocives mais bloque également de nombreux médicaments.
Imagerie 3D plus rapide de la barrière hémato-encéphalique
Les scientifiques doivent souvent observer comment les médicaments se déplacent à travers les vaisseaux sanguins au sein de cette barrière et s’ils parviennent à atteindre les tissus cérébraux. Les méthodes optiques traditionnelles capturent généralement une tranche 2D à la fois, ce qui nécessite des analyses répétées pour créer une image 3D complète.
Grâce à la nouvelle approche par faisceau de crayon, l’équipe a généré des images rapides et de haute précision tout en suivant la manière dont les cellules absorbent les protéines en temps réel.
“L’industrie pharmaceutique est particulièrement intéressée par l’utilisation de modèles humains pour rechercher des médicaments qui franchissent efficacement la barrière, car les modèles animaux ne parviennent souvent pas à prédire ce qui se passe chez l’homme. Cette nouvelle méthode ne nécessite pas que les cellules aient une étiquette fluorescente change la donne. Pour la première fois, nous pouvons désormais visualiser l’entrée des médicaments dans le cerveau en fonction du temps et même identifier la vitesse à laquelle des types de cellules spécifiques internalisent le médicament”, explique Kamm.
“Cependant, il est important de noter que cette approche ne se limite pas à la barrière hémato-encéphalique, mais permet un suivi résolu dans le temps de divers composés et cibles moléculaires à travers des modèles de tissus modifiés, fournissant ainsi un outil puissant pour l’ingénierie biologique”, ajoute Spitz.
Le système a produit des images 3D au niveau cellulaire avec une qualité améliorée et ce, environ 25 fois plus rapidement que les méthodes existantes.
“Habituellement, vous devez faire un compromis entre la résolution de l’image et la profondeur de champ : vous ne pouvez sonder qu’une certaine distance à la fois. Mais avec notre méthode, nous pouvons surmonter ce compromis en créant un faisceau de crayon avec à la fois une haute résolution et une grande profondeur de champ”, explique You.
Applications futures et prochaines étapes
Pour l’avenir, les chercheurs visent à mieux comprendre la physique derrière ce faisceau auto-organisé et les mécanismes qui lui permettent de se former. Ils prévoient également d’étendre la méthode à d’autres applications, notamment l’imagerie des neurones, et d’explorer les moyens de mettre la technologie en pratique.
Ce travail a été financé en partie par les fonds de démarrage du MIT, la National Science Foundation (NSF), la Silicon Valley Community Foundation, la Diacomp Foundation, le Harvard Digestive Disease Core, une bourse MathWorks et le prix Claude E. Shannon.
