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Session 2 : Nouvelles microscopies pour le biomédical

Alice Guillaume-Manca
Laboratoire de physique et d’étude des matériaux, ESPCI, Sorbonne Université, Institut de biologie de l’École normale Supérieure.

Optique adaptative en microscopie de fluorescence à deux photons pour l’imagerie fonctionnelle en neurosciences chez la souris.

Des communications optiques ultra-rapides aux technologies quantiques avancées, en passant par la détection de haute précision, la photonique intégrée est au cœur des applications les plus avant-gardistes. Ces systèmes reposent sur des circuits de photoniques intégrés (PIC) compacts et économes en énergie, chacun conçu pour remplir des fonctions optiques spécifiques telles que la génération, la modulation, l’amplification ou la détection de la lumière, selon l’application. Leur développement est essentiel non seulement pour l’innovation technologique, mais aussi pour garantir une autonomie stratégique dans des secteurs critiques comme la cryptographie, les centres de données ou la distribution de clés quantique sécurisée, par exemple. Disposer d’une plateforme unifiant les fonctionnalités des circuits photoniques intégrés matures représente l’un des grands défis technologiques de notre époque.

Mes recherches contribuent à cette ambition en explorant l’intégration de dispositifs en phosphure d’indium (InP) avec des couches minces de niobate de lithium (TFLN) sur des puces en nitrure de silicium (SiN), dans le but de créer un laser rapide et accordable fonctionnant à 1550 nm. Cette approche hybride (Figure 1) combine la génération de lumière efficace de l’InP, la modulation électro-optique forte du LN, et le guidage de lumière ultra-faible perte du SiN, ouvrant ainsi la voie à des systèmes photoniques puissants et polyvalents. Pour réaliser cette intégration, je bénéficie de la puce InP fabriquée au III-V Lab, de l’expertise de Femto-ST sur le TFLN, ainsi que de la capacité du CEA-Leti à fabriquer des guides d’ondes en SiN à très faibles pertes.

Au-delà de sa pertinence technologique, ce travail s’inscrit dans un effort plus large visant à renforcer la souveraineté européenne et nationale dans le domaine de la photonique. Il contribue directement au développement de la plateforme stratégique TFLN, en cohérence avec le projet européen ELENA et le programme français PEPR NANOFILN, tous deux dédiés à la construction de l’avenir de la photonique intégrée sur le sol européen.
Dans ce contexte, la maîtrise de l’intégration de ces matériaux ne constitue pas seulement un défi scientifique pour ma thèse, mais représente également une étape clé pour assurer à l’Europe une position de leader dans les technologies photoniques critiques.

La microscopie de fluorescence constitue un outil incontournable pour l’étude des processus cellulaires. Elle repose sur l’utilisation de fluorophores, des molécules dont les propriétés d’émission permettent d’identifier de façon spécifique la protéine à laquelle elles sont associées, mais également pour certaines d’entre elles de  pouvoir révéler leur environnement local. Parmi les approches associées, la microscopie de durée de vie de fluorescence (FLIM, Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) permet de mesurer le temps de vie des fluorophores, apportant ainsi des informations précises sur les interactions moléculaires et l’état physico-chimique du milieu cellulaire.

Cependant, comme toute technique de microscopie optique conventionnelle, la microscopie FLIM reste limitée par la diffraction, ce qui restreint la résolution spatiale. Les récents développements en microscopie de super-résolution, notamment les approches de super-localisation telles que dSTORM et PALM, permettent de dépasser cette limite en contrôlant l’émission des fluorophores individuels afin de pouvoir les localiser avec  une précision de localisation de l’ordre de dix nanomètres.

L’objectif de cette thèse est de coupler la microscopie FLIM et la super-localisation afin d’obtenir simultanément des informations spatiales et temporelles à haute résolution, et de pouvoir à terme réaliser ces observations en cellules vivantes.

L’imagerie optique en profondeur dans les tissus biologiques est devenue essentielle pour comprendre les processus neurophysiologiques complexes à l’œuvre dans notre cerveau. La microscopie de fluorescence à 2 photons constitue aujourd’hui une référence pour enregistrer l’activité de neurones individuels avec une bonne résolution spatiale et temporelle. Cependant, l’hétérogénéité structurelle du cerveau engendre des aberrations optiques qui dégradent la qualité des images et limitent la profondeur d’imagerie à quelques centaines de micromètres.
Pour pallier ces effets, nous développons une approche innovanted’optique adaptative (OA) intégrée à un microscope à 2 photons, permettant de corriger les aberrations en temps réel et d’améliorer la résolution et l’intensité des images in vivo dans le cerveau de souris.
La mesure du front d’onde en profondeur reste toutefois un défi, en raison des propriétés diffusantes du cerveau. Afin de surmonter cette contrainte, nous utilisons comme source fluorescente pour la mesure de front d’onde des nanocristaux de semiconducteurs fluorescents (quantum dots en anglais), émettant dans le proche infrarouge. Ces nanoparticules présentent des caractéristiques particulièrement adaptées à l’OA in vivo: elles sont très brillantes, photostables, biocompatibles, et  peuvent ainsi être injectées dans le système sanguin où elles restent présentes pendant plusieurs heures. De plus, leur émission dans le proche infrarouge augmente la longueur de diffusion, permettant une mesure et une correction fiable du front d’onde à plus grande profondeur. 
Au cours de ma thèse, j’ai développé un microscope de fluorescence à 2 photons couplé à une boucle d’optique adaptative rapide et à l’utilisation de quantum dots infrarouges pour augmenter la sensibilité et la résolution en neuroimagerie in vivo chez la souris, et ainsi permettre d’observer l’activité cérébrale en profondeur.

Les chaînes laser de haute énergie connaissent un regain d’intérêt ces dernières années, notamment avec l’émergence de nouvelles applications telles que la fusion par confinement inertiel ou encore leur utilisation comme source de rayonnement ou de particules. Malheureusement, pour atteindre de tels niveaux d’énergie, la solution actuelle consiste à utiliser des amplificateurs laser de plus en plus grands, dotés d’une très grande inertie, ce qui ne permet que quelques tirs par jour et compromet ainsi la rentabilité de telles installations.

Nous proposons d’utiliser le principe de combinaison cohérente, en partant de nombreux « petits lasers » à haute cadence, que l’on peut mettre en phase et superposer pour obtenir l’énergie souhaitée. Ce principe a déjà démontré son succès pour les systèmes fibrés et à faible énergie. L’objectif de cette thèse est d’analyser et de proposer des solutions pour répondre aux problématiques inédites des lasers à haute énergie, telles que les distorsions de front d’onde et la faible cadence, rendant impossible une correction active tir à tir.