La technique de défocalisation contre-intuitive produit des images de microscope 3D

L'une des grandes inventions de l'histoire a été le développement du microscope. La capacité de voir l'énorme variété de vie et de modèles à une si petite échelle a changé notre compréhension du monde et notre relation avec lui.

Depuis lors, les microscopistes ont considérablement amélioré leurs instruments afin qu'ils enregistrent non seulement avec la lumière visible, mais aussi avec d'autres longueurs d'onde et même avec d'autres supports d'enregistrement tels que les électrons et les neutrons, etc.

L'un des défis les plus difficiles, cependant, consiste à déterminer la structure tridimensionnelle des petits objets. Les globules rouges sains, par exemple, ont une célèbre structure en forme de beignet et les modifications de cette structure sont un indicateur important de diverses maladies et affections.

Ces formes sont simples à voir mais la détermination de leur structure 3D entière avec une résolution de quelques centaines de nanomètres est délicate ; notamment parce que les globules rouges sont en grande partie transparents et difficiles à voir avec une microscopie à fond clair ordinaire.

Aujourd'hui, Paula Roma et des amis de l'Université fédérale de Minas Gerais au Brésil révèlent une technique nouvelle et relativement simple pour déterminer l'ensemble de la structure 3-D des globules rouges basée sur la technique contre-intuitive de la défocalisation.

Les biologistes reconnaissent depuis longtemps les limites de la microscopie à fond clair avec des échantillons biologiques, car nombre d'entre eux sont largement transparents. (La microscopie à champ clair est la technique de microscope ordinaire que la plupart des gens rencontrent au lycée.)

La lumière brille sur ou à travers l'échantillon, révélant tout ce qui absorbe ou diffuse fortement la lumière.

Le problème, c'est que tout ce qui est transparent est plus ou moins invisible parce que la lumière le traverse directement. Et malheureusement, de nombreux échantillons biologiques entrent dans cette catégorie, y compris les globules rouges qui sont en grande partie transparents.

Une solution consiste à défocaliser légèrement l'image. Comme les globules rouges ont un indice de réfraction, ils courbent la lumière qui les traverse. Cette courbure introduit un changement de phase dans la lumière.

Ce changement de phase permet de séparer plus facilement cette lumière de la lumière qui n'a pas traversé la cellule. Et en faisant cela, les globules rouges deviennent plus sombres et plus faciles à voir.

Cela permet une analyse plus détaillée des cellules. En mesurant les changements d'intensité que ce processus introduit, il est possible de déterminer la forme de la surface générant les changements de phase. Cela donne donc une image tridimensionnelle de la surface supérieure de la cellule.

Maintenant Roma et co disent qu'il est possible d'aller plus loin. Ils montrent qu'en prenant deux images de la cellule, toutes deux défocalisées de quantités différentes, il est également possible de déterminer la forme de la surface inférieure de la cellule. En d'autres termes, ce type étrange d'image stéréo défocalisée vous donne la forme 3-D de la cellule entière.

Les résultats sont impressionnants. La technique fonctionne avec de la lumière blanche ordinaire, bien qu'elle doive être filtrée pour éliminer les longueurs d'onde rouges que les globules rouges pourraient absorber.

Pour obtenir deux images de la même cellule, Roma et ses collègues utilisent un séparateur de faisceau pour envoyer de la lumière à deux caméras qui sont toutes deux défocalisées de quantités différentes. Les résultats peuvent ensuite être traités à l'aide d'un algorithme simple pour produire des images 3D des cellules

Pour tester l'idée, Roma et co ont placé des globules rouges dans diverses concentrations de solutions salines pour les faire gonfler. Ils ont enregistré des images de 25 cellules et traité les résultats, qui sont présentés ci-dessus.

Ils disent que les images ont une résolution de moins de 300 nanomètres, nettement meilleure que ce qui est possible avec des techniques similaires. En particulier, ils montrent comment les cellules adhèrent à la surface à laquelle elles sont attachées.

La configuration est également relativement simple. La technique pourrait être facilement adoptée par des non-spécialistes, disent-ils.

C'est un résultat intéressant qui montre à quel point des avancées fascinantes à faible coût peuvent encore être réalisées en microscopie.

Réf : http://arxiv.org/abs/1404.2968 : Imagerie 3D totale d'objets de phase à l'aide de la microscopie à défocalisation : application aux globules rouges

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