Academic literature on the topic 'Microscope multiphotonique'

La microscopie multiphotonique est devenue un outil essentiel pour étudier l'activité fonctionnelle de la souris mais son application à des animaux plus grands se heurte à plusieurs obstacles. Il serait particulièrement avantageux de pouvoir l'appliquer aux macaques, car ils représentent un modèle animal de choix pour comprendre les mécanismes neuronaux des fonctions cognitives de haut niveau, telles que l'attention, la mémoire et la conscience. L'un des principaux facteurs limitant à l'imagerie chez les grands animaux est la dure-mère. Cette couche de tissu épaisse et opaque protège le cerveau, mais elle est si épaisse chez les grands animaux qu'elle entrave l'imagerie. Elle est donc couramment enlevée mais cela conduit à une préparation hautement invasive et instable. L'objectif principal de ce travail est d'étudier la possibilité d'enregistrer l'activité fonctionnelle du cortex du macaque rhésus à travers la dure-mère naturelle.Une installation de microscopie multiphotonique a été conçue avec des chemins optiques de microscopie à deux et trois photons pour pouvoir faire des enregistrements sur des primates non humains vigiles. La fréquence de répétition du laser est de 2MHz, ce qui permet une profondeur d'imagerie maximale à l'intérieur du cortex de 520µm à 960nm et 715µm à 1300nm en la présence d'une dure-mère de 120µm d'épaisseur à la surface. Le champ de vision est de 620x630µm² avec une fréquence d'acquisition de 7,8Hz en utilisant un balayage unidirectionnel. En plus de cette installation, des implants chirurgicaux ont été développés pour une imagerie stable sur le long-terme de sujets vigiles.En utilisant une étude ex vivo de la dure-mère d'un macaque rhésus, les aberrations optiques induites par celle-ci ont été étudiées en mesurant la diminution de la résolution spatiale du microscope pour une épaisseur variable de dure-mère. Ceci révèle qu'elle n'a pas d'impact significatif sur la résolution pour une épaisseur allant jusqu'à 150µm à 1300nm. La longueur d'atténuation effective de la dure-mère naturelle est estimée à 56.5±10.1µm à 960nm et 80.7±5.3µm à 1300nm. Ces valeurs sont utilisées pour modéliser la profondeur maximale d'imagerie en fonction de la fréquence de répétition du laser et de l'épaisseur de la dure-mère.Ce modèle est ajusté et validé à l'aide de données in vivo provenant de deux primates non humains. La longueur d'atténuation effective de la dure-mère naturelle et d'une repousse de tissu après une durectomie (appelée "néomembrane") sont étudiées. Des enregistrements fonctionnels ont été réalisés chez la souris et prétraités avec Suite2P. Les paramètres d'injection virale ont été testés chez trois macaques et nous avons enregistré l'activité structurelle et fonctionnelle de neurones pour l'un d'eux au moment de l'étude.Enfin, la comparaison entre l'utilisation de la microscopie à deux ou trois photons pour l'étude du primate non humain est discutée.En conclusion, nous avons mis en place et optimisé un microscope multiphotonique pour l'imagerie vigile et à long-terme du cortex de primates non-humains et montré qu'il était possible d'enregistrer le cortex jusqu'à plus de 700µm de profondeur (ce qui correspond aux couches L2/L3) tout en gardant la dure-mère naturelle en place
Multi-photon microscopy has become a standard technique to study the structural and functional activity in mice but it faces obstacles to be applied in larger animals. It would be particularly advantageous to be able to apply it to macaque monkeys, as they are the animal model of choice to understand the neural mechanisms of high-level cognitive functions such as selective attention, working memory and consciousness. One of the main limiting factors for imaging in larger animals is the dura mater. This tough and opaque layer of tissue protects the brain but is so thick in larger animals that it obstructs imaging. It is therefore commonly removed but this leads to a highly invasive and unstable preparation. The main aim of the current work is to investigate the possibility to record functional activity from the cortex of the rhesus macaque monkey through the natural dura.A multi-photon microscopy setup has been designed with a two-photon and a three-photon microscopy optical paths to record from awake macaque monkeys. The repetition rate of the laser is 2MHz which allows a maximum imaging depth inside the cortex of 520µm at 960nm and 715µm at 1300nm with an additional 120µm-thick layer of dura mater at the surface. Resonance-galvo scanning is used to allow a maximal frame rate of 15.6Hz at a field of view of 620x630µm². In addition to the setup, surgical implants have been developed for long-term and awake imaging.Using an ex vivo study of dura mater from a macaque monkey, the induced optical aberrations are studied by measuring the decrease in spatial resolution of the setup for a varying thickness of dura mater. This reveals that it has no significant impact on the spatial resolution for a thickness up to 150µm at 1300nm. The effective attenuation length of the dura mater is estimated to be 56.5±10.1µm at 960nm and 80.7±5.3µm at 1300nm. These measurements are used to model the maximum imaging depth that can be reached according to the repetition rate of the laser and the thickness of the dura.This model is adjusted and validated using in vivo data from two non-human primates. The effective attenuation length of the natural dura mater and of a regrowth of tissue following a durectomy (called a 'neomembrane') are investigated. Functional recordings have been performed in mice and preprocessed using Suite2P. Viral injection parameters have been tested in three macaque monkeys and we have so far recorded the in vivo structural and functional activity of neurons in one. Finally, the comparison between the use of two- and three-photon microscopy to study non-human primates is discussed. In conclusion, we have set up and optimized a multi-photon microscope for long-term awake imaging of the cortex of non-human primates and shown that it was possible to record down to over 700µm into the cortex (which corresponds to the layers L2/L3) while imaging through the natural dura mater or a neomembrane

Un des plus grands défis de la neuroscience moderne pour parvenir à comprendre et diagnostiquer les maladies du cerveau est de déchiffrer les détails des interactions neuronales dans le cerveau vivant. Pour ce faire, on doit être capable d'observer des populations de cellules vivantes dans leur matrice d'origine avec une bonne résolution spatiale et temporelle. La microscopie à deux photons se prête bien à cet exercice car elle permet d'exciter des fluorophores à de grandes profondeurs dans les tissus biologiques et elle offre une résolution spatiale de l'ordre du micron. Malheureusement, la très bonne résolution tridimensionnelle diminue la résolution temporelle, car l'effet de sectionnement optique causé par la faible profondeur de champ du microscope nous oblige à balayer les échantillons épais une multitude de fois avant de pouvoir compléter l'acquisition d'un grand volume. Dans ce projet de doctorat, nous avons conçu, construit et caractérisé un microscope à deux photons avec une profondeur de champ étendue afin de faciliter l'imagerie fonctionnelle de neurones dans un échantillon épais. Pour augmenter la profondeur de champ du microscope à deux photons, nous avons modifié le faisceau laser entrant dans le système optique afin de générer une aiguille de lumière, orientée axialement, dans l'échantillon au lieu d'un point. Nous modifions le faisceau laser avec un axicon, une lentille en forme de cône qui transforme le faisceau gaussien en un faisceau quasi non-diffractant, de type Bessel-Gauss. Le faisceau d'excitation conserve donc la même résolution transverse à différentes profondeurs dans l'échantillon, éliminant le besoin de balayer l'échantillon à répétition afin de sonder un volume complet. Dans cette thèse, nous démontrons que le microscope à grande profondeur de champ fonctionne effectivement tel que nous l'avons conçu et nous l'utilisons pour faire de l'imagerie calcique dans un réseau tridimensionnel de neurones vivants. Nous présentons aussi les différents avantages de notre système par rapport à la microscopie à deux photons conventionnelle.
One of the greatest challenges of modern neuroscience that will lead to a better understanding and earlier diagnostics of brain sickness is to decipher the details of neuronal interactions in the living brain. To achieve this goal, we must be capable of observing populations of living cells in their original matrix with a good resolution, both spatial and temporal. Two-photon microscopy offers the right tools for this since it presents with a spatial resolution in the order of the micron. Unfortunately, this very good three-dimensional resolution lowers the temporal resolution because the optical sectioning caused by the microscope's small depth of field forces us to scan thick samples repeatedly when acquiring data from a large volume. In this doctoral project, we have designed, built and characterized a two-photon microscope with an extended depth of field with the goal of simplifying the functional imaging of neurons in thick samples. To increase the laser scanning microscope's depth of field, we shaped the laser beam entering the optical system in such a way that a needle of light is generated inside the sample instead of a spot. We modify the laser beam with an axicon, a cone-shaped lens that transforms a gaussian beam into a quasi non-diffractive beam called Bessel-Gauss beam. The excitation beam therefore maintains the same transverse resolution at different depths inside the sample, eliminating the need for many scans in order to probe the entire volume of interest. In this thesis, we demonstrate that the extended depth of field microscope effectively works as we designed it, and we use it to image calcium dynamics in a three-dimensional network of live neurons. We also present the different advantages of our system in comparison with standard two-photon microscopy.

Cette thèse porte sur l'utilisation et le développement de techniques de microscopie multiphotonique pour l'imagerie d'échantillons biologiques humains. Une plateforme d'imagerie multiphotonique utilisant les contrastes non linéaires sans marquage tels que la fluorescence à deux photons, la génération de seconde harmonique, et les mécanismes Raman cohérent (CARS et SRS) a été conçue et développée au cours de cette thèse, et les travaux expérimentaux suivant deux axes de recherche principaux sont présentés.Dans une première partie , l'imagerie tridimensionnelle et sans marquage des muqueuses du système digestif humain est comparée aux images histologiques classiques avec marquages colorimétriques. Nous montrons que les techniques multiphotoniques utilisées permettent de reconstituer la structure et de discerner les différents éléments moléculaires présents dans les tissus dans le but d'obtenir une caractérisation des zones touchées par le développement de tumeurs cancéreuses
This thesis focuses on multiphotonic microscopy techniques development and use in order to image human biological samples. A multiphotonic imaging setup using label-free nonlinear contrasts mechanisms such as two-photons fluorescence, second harmonic generation, or stimulated Raman effect (CARS or SRS) has been designed and developped during this PhD, and I present the experimental work in two main research topics.In a first part, we compare label-free 3D imaging with classic histological imaging using colorimetric labels in human digestive system. We show that multiphotonic technics allow to reconstruct the organization and discern the molecular compounds inside the tissues, in order to get a caratérization of the cancerous tumors developpement.The second part is related to the application of our multimodal setup to the quantitative study of real active molecular compounds real time penetration into in vivo human skin. We show that multiphotonic microscopy make possible to mesure active molecules in depth 3D concentration in the skin in order to understand transcutaneous diffusion mechanisms in cosmetic and pharmacological applications

Le développement de nouveaux outils et de nouvelles techniques pour la biologie et la médecine a toujours été un moteur pour la recherche en microscopie. Les premiers microscopes permirent à Antoine Von Leeuwenhoek en 1677 de découvrir les bactéries, les spermatozoïdes et les globules rouges et aujourd'hui nous cherchons à visualiser les processus intracellulaires, l'interaction des protéines, l'interaction des cellules dans les tissus... Chaque année de nouvelles techniques apparaissent pour voir plus petit, plus spécifique, plus physiologique. Le laboratoire d'optique et biosciences dans lequel j'ai effectué ma thèse s'intéresse plus particulièrement aux techniques de microscopie multiphoton. Ce type de microscopie, qui re- pose sur les interactions non linéaires entre la matière et la lumière, est principalement utilisé aujourd'hui pour suivre des marqueurs fluorescents dans les tissus grâce au processus de fluo- rescence sous excitation à deux photons. En cela, elle sert à suppléer la microscopie confocale pour visualiser des phénomènes à des profondeurs de pénétration qui lui sont inaccessibles, et permet ainsi de travailler sur l'ensemble d'un tissu. Toutefois, la microscopie multiphoton ne se borne pas à la fluorescence sous excitation à 2 photons ; elle donne aussi accès à des processus non linéaires comme la génération d'harmoniques ou l'émission Raman anti-Stockes stimulée. Ces interactions non linéaires sont encore peu utilisées en biologie et font l'objet de recherches dans notre laboratoire. L'un des processus non linéaires étudiés au laboratoire est la génération de second harmo- nique (SHG). Celle-ci a été mise en évidence en 1961 par P. A. Franken[1] dans des cristaux non linéaires et s'utilise couramment pour doubler la fréquence des lasers. En 1979, ce proces- sus a été appliqué en biologie par Samuel Roth et Isaac Freund[2] sur des tendons de rat où l'organisation du collagène permet d'obtenir l'effet non linéaire. Presque trente années se sont écoulées depuis cette expérience, mais la génération de second harmonique par le collagène reste mal comprise. De plus, même si de nombreuses études ont montré le potentiel de cette technique, elle reste peu utilisée par les biologistes. Cette thèse, sous la direction de Marie-Claire Schanne-Klein, veut répondre à plusieur questions : - Quel est le rôle de l'organisation submicrométrique du collagène dans la génération du signal de second harmonique ? - Que peut apporter cette technique dans la visualisation du collagène par rapport aux autres techniques déjà existantes ? - Quelle est la pertinence de cette technique pour répondre à des problématiques biolo gique ? Nous nous sommes focalisés sur la fibrose qui est une accumulation anormale de collagèn dans les tissus. Une thèse précédente réalisée dans notre laboratoire par Ana-Maria Pena avai déjà montré le potentiel de la génération de second harmonique pour évaluer la gravité d fibroses pulmonaires induites par la bléomycine. Toutefois, ces études réalisées en collabora tion avec le service de pneumologie de l'hôpital Bichat sont restées à l'état de démonstration de principe. Nous avons alors engagé une collaboration étroite avec une équipe de néphro logues composée de Pierre Louis Tharaux, Monica Hernest et Cécile Fligny (Cardiovascula Research Center Inserm Lariboisière INSERM U689, France) qui travaillent sur les phéno mènes de fibroses dans le rein, et nous avons appliqué la microscopie par génération de second harmonique à cette problématique biomédicale. Dans ce manuscrit, le premier chapitre introduit les notions biologiques sur le collagèn et la fibrose nécessaires à la compréhension de la suite. Le deuxième chapitre présente le diverses techniques de visualisation du collagène, insiste sur les principes et le dispositif d microscopie multiphoton et enfin développe une modélisation du signal de génération de se cond harmonique par le collagène observé en microscopie. Nous proposons ensuite dans l troisième chapitre une méthodologie pour quantifier la fibrose rénale, que nous validons su un modèle murin de fibrose rénale. Enfin, le dernier chapitre est consacré à l'application d notre méthodologie à diverses problématiques biologiques liées à la fibrose rénale.

Les techniques de microscopie multiphotonique s'imposent de plus en plus en biologie. Ces techniques permettent d'accéder à une profondeur d'imagerie inégalée dans les tissus vivants tout en les préservant des effets de photo-toxicité. Cette profondeur d'imagerie dépend en outre à la fois de la sensibilité des marqueurs (à l'origine de la fluorescence ou de la génération de seconde harmonique) et des performances optiques du microscope. Le travail présenté dans ce mémoire s'articule autour de ces deux problématiques. Dans une première partie, nous caractérisons de nouveaux marqueurs membranaires du point de vue de leurs propriétés optiques non linéaires et de leur organisation au sein de phospholipides. Nous présentons ensuite le développement d'un microscope multiphotonique prototype dont les performances en terme de profondeur d'imagerie notamment sont étudiées expérimentalement et à partir de simulations Monte Carlo.

Les propriétés photoniques des tissus durs dentaires nous ont permis d’étudier l’email et la dentine a un niveau moléculaire (in vitro) en utilisant des techniques de microscopie optique non linéaires. La microscopie confocale Raman est technique d’imagine de haute résolution permettant d’analyse d’échantillon sans préparation spécifique ni marquage. Cette méthode nous a permis de reconstituer une cartographie de la réticulation du collagène et de la cristallinité au niveau de la jonction émail-dentine et cela avec une résolution spatiale non atteinte jusque-là. Cette analyse chimique de la jonction émail-dentine a permis de redéfinir la largeur de cette zone de transition. Cette largeur est nettement supérieure à celles proposées par les études précédentes. Par ailleurs, l’étude portant sur les changements de fluorescence intrinsèque entre les tissues dentaires sains et cariés suggèrent l’implication de la protoporphyrin IX et de la pentosidine dans l’expression de la fluorescence rouge des tissus cariés. La microscopie multiphotonique quant à elle nous a permis de détecter la lésion carieuse et de suivre son développement en utilisant la génération de seconde harmonique (SHG) et la fluorescence par excitation à deux photons (2PEF). Nos études ont démontré la validité du ratio SHG/2PEF comme paramètre fiable pour la détection de la lésion carieuse. Les études proposées par cette thèse montrent le potentiel des propriétés photoniques de l’émail et de la dentine en utilisant les microscopies Raman et multiphotoniques dans l’étude de ces tissus au niveau moléculaire. Cela offre de nouvelles perspectives en recherche et en applications cliniques
Photonic properties of dental hard tissues allowed us to proceed to in vitro analysis of enamel and dentin on a molecular level. Confocal Raman microscopy has been used to produce a mapping of collagen cross-link and crystallinity of human dentin–enamel junction (DEJ) with a spatial resolution not achieved up to now. The method is a non-invasive, label-free and a high spatial resolution imaging technique. This chemical analysis of DEJ led us to redefine a wider width of this transition zone and advance our understanding of dental histology. A study on the intrinsic fluorescence changes of sound and carious tissues using conventional fluorescence microscopy suggests the involvement of protoporphyrin IX and pentosidine in the fluorescence red-shift observed in carious tissues. Multiphoton microscopy allowed to detect nonlinear optical signal changes during caries process using second harmonic generation (SHG) and two-photon excitation fluorescence (2PEF). Our studies led us to propose the ratio SHG/2PEF as valuable parameter to monitor caries lesion. Collectively, advances described in this thesis show the potential of photonic properties of enamel and dentin using Raman and multiphoton microcopies for molecular investigations on sound as much as on carious tissues. It opens new perspective in dental research and clinical applications

Les techniques d'imagerie optique basées sur des effets non linéaires sont de plus en plus appliquées en biologie. La microscopie multiphotonique fournit une information micrométrique avec une profondeur d'imagerie inégalée dans les tissus vivants, tout en les préservant des effets phototoxiques. Les différentes sources de contrastes endogènes des tissus biologiques permettent de visualiser sans marquage l'émission de fluorescence excitée à deux photons (TPEF), et la génération de seconde harmonique (SHG) de molécules non centrosymétriques dans un milieu non centrosymétrique, en particulier certaines protéines fibrillaires. Ces contrastes permettent des applications dans des domaines comme l'embryologie, les neurosciences ou encore la cancérologie. La microscopie multiphotonique apparaît donc comme un outil bien adapté à l'étude des protéines fibrillaires. Nous présentons dans un premier temps la technique de microscopie multiphotonique, les deux contrastes mis en jeu, ainsi qu'un outil reposant sur la modulation de polarisation de la lumière excitatrice pour la caractérisation du collagène et de la myosine. Nous présentons également une étude préliminaire sur l’imagerie du muscle squelettique bovin. Dans un second temps, nous utilisons la spécificité de la SHG pour le collagène pour développer une méthode de "quantification" du collagène impliqué dans la fibrose du foie. Après une analyse détaillée de notre méthode de scoring SHG, elle est évaluée et comparée aux méthodes usuelles de caractérisation de la fibrose. Cette méthode basée sur l'utilisation d'objectifs à faible NA, pourrait être utilisée en endoscopie SHG, quand les biopsies virtuelles seront possibles
Optical imaging techniques based on nonlinear effects of photon-matter interactions, are increasingly applied in biology. Multiphoton microscopy provides an in-depth information at a micrometric scale in tissues, with low photo-toxicity. Moreover, the various sources of endogenous contrast in biological tissues allow to visualize, without any staining, the two photon excited fluorescence emission (TPEF), and second harmonic generation (SHG) of non-centrosymmetric molecules in non-centrosymmetric media, such as fibrillar proteins like collagen and myosin. These two endogenous contrasts enable a wide range of applications along with embryology, neuroscience or oncology. In this context, multiphoton microscopy appears as a promising tool for the study of fibrillar proteins present in biological tissues. In this document we first present the basis of multiphoton microscopy, the two contrasts involved in this imaging technique, and a tool based on the modulation of polarization of the exciting laser for the characterization of two fibrillar proteins, collagen and myosin. We also present a preliminary study of cattle skeletal muscle by multiphoton microscopy. In a second step, we use the specificity of SHG for imaging collagen to develop a method of scoring of fibrillar collagen deposits in human liver fibrosis. After an in-depth study of our collagen SHG scoring method, it is evaluated and compared to usual technics used to characterise fibrosis. This method which uses low NA lenses, could be extended to SHG endoscopes, when virtual biopsies will be possible

La microscopie à balayage laser est limitée en résolution par la limite de diffraction de la lumière. Plusieurs méthodes de superrésolution ont été développées depuis les années 90 pour franchir cette limite. Cependant, la superrésolution est souvent obtenue au prix d'une grande complexité (laser de haute puissance pulsé, temps d'acquisition long, fluorophores spécifiques) ainsi que des limitations dans le type d'échantillon observé (observation en surface uniquement). Dans certains cas, comme pour l'illumination structurée et la microscopie SLAM, une amélioration en résolution plus modeste est obtenue, mais avec une complexité et des limites d'utilisation fortement réduites par rapport aux autres méthodes de superrésolution. Les mé- thodes que nous proposons ici sont des méthodes d'augmentation de résolution qui visent à minimiser les contraintes expérimentales et à garder un maximum des avantages des techniques d'imagerie conventionnelles. Dans les cas que nous avons étudiés, les méthodes proposées sont basées sur la microscopie confocale. Nous allons montrer dans un premier temps qu'il est possible d'augmenter de 20% la résolution d'un microscope confocal en changeant le faisceau laser utilisé pour l'excitation par un faisceau Bessel-Gauss tout en ayant un sténopé de la bonne taille (soit 1 Airy Unit). Les avantages de la méthode proposée résident dans sa simplicité d'installation et d'utilisation et sa compatibilité avec d'autres méthodes d'augmentation de résolution. Nous avons démontré les capacités d'augmentation de résolution des faisceaux Bessel-Gauss théoriquement puis exp érimentalement sur des échantillons de nano-sphères et de tissus biologiques obtenant ainsi une résolution de 0.39. Nous avons également montré que l'amélioration en résolution des faisceaux Bessel-Gauss donne une analyse statistique de la colocalisation avec un taux plus faible de faux positifs. Nous avons utilisé des faisceaux Bessel-Gauss de différents ordres pour améliorer la méthode de la microscopie SLAM et ainsi obtenir une résolution descendant à 0.17 (90 nm avec une longueur d'onde de 532 nm). La méthode proposée est entièrement basée sur la microscopie confocale et seul un module permettant de changer le faisceau laser doit être ajouté au montage. Dans un second temps, nous proposons une méthode permettant de bénéficier au maximum des propriétés de la déconvolution pour augmenter la résolution de la microscopie confocale. Pour cela, nous avons utilisé différents modes laser pour l'acquisition d'images et ces images sont utilisées comme données d'entrée pour la déconvolution (avec des mesures des PSF respectives). Les faisceaux laser utilisés apportent ainsi des informations complémentaires à l'algorithme de déconvolution permettant ainsi d'obtenir des images avec une résolution encore meilleure que si une simple déconvolution (utilisant le même algorithme) était utilisée sur l'image confocale. Par la suite, nous avons changé les faisceaux laser par des faisceaux Bessel-Gauss pour augmenter davantage l'ecacité de la déconvolution. Encore une fois, la méthode proposée est entièrement basée sur la microscopie confocale et seul un module permettant de changer le faisceau laser doit être ajouté au montage. Enfin, nous proposons d'aborder une méthode de reconstruction en trois dimensions par tomographie basée sur des projections obtenues en microscopie à deux photons utilisant les faisceaux Bessel-Gauss. En focalisant des faisceaux Bessel-Gauss à angle en microscopie deux photons, on obtient une série de projections utilisables pour une reconstruction tomographique. Le but est de tester la faisabilité de la méthode qui permettrait de reconstruire un volume, en nécessitant moins d'images que dans le cas d'une acquisition plan par plan, en microscopie deux photons classique.
Laser scanning microscopy is limited in lateral resolution by the diffraction of light. Superresolution methods have been developed since the 90s to overcome this limitation. However, superresolution is generally achieved at the cost of a greater complexity (high power lasers, very long acquisition times, specic uorophores) and limitations on the observable samples. In some cases, such as Structured Illumination Microscopy (SIM) and Switching Laser Modes (SLAM), a more modest improvement in resolution is obtained with a reduced complexity and fewer limitations. We propose here methods which improve the resolution while minimizing the experimental constraints and keeping most of the advantages of classical microscopy. First, we show that we can improve by twenty percent the resolution of confocal microscopy by using Bessel-Gauss beams, and by having the right pinhole size (1 Airy Unit), compared to conventional Gaussian beam based confocal microscopy. The advantages of this strategy include simplicity of installation and use, linear polarization compatibility, possibility to combine it with other resolution enhancement and superresolution strategies. We demonstrate the resolution enhancement capabilities of Bessel-Gauss beams both theoretically and experimentally on nano-spheres and biological tissue samples with a resolution of 0.39. We achieved these resolutions without any residual artifacts coming from the Bessel-Gauss beam side lobes. We also show that the resolution enhancement of Bessel-Gauss beams leads to a better statistical colocalization analysis with fewer false positive results than when using Gaussian beams. We have also used Bessel-Gauss beams of different orders to further improve the resolution by combining them in SLAM microscopy achieving a resolution of 0.17 (90 nm with a wavelength of 532 nm). In a second step, we propose a method to improve the resolution of confocal microscopy by combining different laser modes and deconvolution. Two images of the same eld are acquired with the confocal microscope using different laser modes and are used as inputs to a deconvolution algorithm. The two laser modes have different Point Spread Functions and thus provide complementary information leading to an image with enhanced resolution compared to using a single confocal image as input to the same deconvolution algorithm. By changing the laser modes to Bessel-Gauss beams, we were able to improve the effciency of the deconvolution algorithm and to obtain images with a residual Point Spread Function having a width smaller than 100 nm. The proposed method requires only a few add-ons to the classic confocal or two photon microscopes. Finally, we propose a three dimensional tomography reconstruction method using Bessel-Gauss beams as projection tools in two-photon microscopy. While focussing Bessel-Gauss beams at an angle in two photon microscopy, we can obtain a series of projections that can be used for tomography reconstruction. The aim is to test the practicality of the methods allowing to reconstruct a volume while using fewer images than plane by plane acquisitions as in classic two-photon microscopy.

-------------------------------Abstract--------------------------------Since the prediction by Maria Göppert-Mayer in the thirties of the possibility for a fluorescent molecule to be simultaneously excited by multiple photons and, more recently, the development of pulsed lasers, multiphoton microscopy has gradually evolved to finally become one of the most used fluorescent imaging techniques for the studies of thick scattering tissues or for in vivo observations of animals. Either for neurological, physiological or morphological studies, the non invasiveness and the limitation of the excited volume to the focal volume have made this fluorescence microscopy technique an essential tool for biologists.However, in a world where the biological studies always require better microscopes and where there is always a need for the spatial resolution to be improved, it is essential to offer techniques allowing to obtain a better resolution in the three dimensions and to access resolution beyond the diffraction limit defined by Ernst Abbe more than a century ago. In this thesis, the saturated excitation of fluorescence technique is adapted to multiphoton microscopy. This method achieves super-resolved images by temporally modulating the excitation laser-intensity and by demodulating the higher harmonics from the saturated fluorescence signal. As a proof of principle, the improvement of the lateral and axial resolution has been measured on a sample of fluorescent microspheres. While the third harmonic already provides an enhanced resolution, we show in this work that a further improvement can be obtained with an appropriate linear combination of the demodulated harmonics.In the end, a near twofold improvement of the resolution has been obtained in the lateral but also in the axial directions. This improvement is in agreement with the estimated resolution improvement predicted in the theoretical and the mathematical analysis of the technique carried out in this work.We also present in vitro imaging of fluorescent microspheres incorporated in HeLa cells. Enhancements of lateral and axial resolution has been observed, showing that this super-resolution technique performs well in biological samples.Finally, the strengths and weaknesses of the technique have also been analysed and detailed to see in which niche in the world of biological imaging this method can find its place. To this end, its characteristics are compared to other super-resolution and super-localisation techniques that have been previously studied in this thesis.It points out that the imaging depth, the non invasiveness and the relatively low illumination power on the samples but also the limitation of the excited volume in multiphoton microscope coupled with the simple and cost-effective implementation as well as the relatively low illumination power on the sample used in the saturated excitation technique make this method an excellent candidate for deep in vivo studies trough scattering tissue like the skin.
-----------------------Résumé-----------------------Depuis la prédiction de Maria Göppert-Mayer dans les années 30 de la possibilité pour une molécule fluorescente d'être excitée simultanément par plusieurs photons et, plus récemment, depuis le développement des lasers pulsés, la microscopie multiphotonique s'est peu à peu développée pour finalement s'imposer aujourd'hui comme un des outils d'observation par fluorescence les plus performants pour les études de tissus épais diffusants, ou encore pour l'observation in vivo d'animaux. Que ce soit pour des études neurologiques, physiologiques ou morphologiques, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité au volume focal ont rendu cet outil de microscopie indispensable aux biologistes.Cependant, dans un monde où les études biologiques nécessitent toujours de meilleurs microscopes et où la résolution spatiale en particulier doit toujours être améliorée, il convient de proposer des techniques permettant d'obtenir une meilleure résolution dans les trois dimensions et d'aller au-delà de la limite de diffraction définie par Ernst Abbe il y a plus d'un siècle.Dans cette thèse, la technique de saturation de l'excitation de la fluorescence est adaptée à la microscopie multiphotonique. Cette méthode permet d'obtenir des images de superrésolution en modulant temporellement l'intensité laser d'excitation et en démodulant les harmoniques supérieures présentes dans le signal saturé de fluorescence. La démonstration de principe sur des microsphères fluorescentes a été réalisée montrant une amélioration de la résolution latérale et axiale. Alors que l'utilisation de la troisième harmonique produit déjà une meilleure résolution, ce travail de thèse montre qu'une amélioration supplémentaire peut être obtenue en utilisant une combinaison linéaire particulière des harmoniques démodulées.Au final, un quasi doublement de la résolution a pu être observé tant dans les directions latérales que dans la direction axiale. Cette amélioration correspond à l'amélioration prédite dans l'analyse théorique et mathématique réalisée également dans ce travail.De plus, le passage aux études in vitro a été réalisé avec succès en observant des microsphères fluorescentes incorporées dans des cellules HeLa. Des améliorations de la résolution latérale et axiale ont également été observées montrant que cette technique de superrésolution peut être appliquée à l'étude d'échantillons biologiques. Les forces et les faiblesses de cette méthode sont également analysées et détaillées afin de voir dans quel créneau d'études biologiques la technique de saturation de l'excitation de fluorescence pourrait se faire une place. A cette fin, ses caractéristiques sont comparées aux autres méthodes de superrésolution et de superlocalisation détaillées dans la première partie de ce travail.Il en resort que l'importante profondeur d'imagerie, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité de la microscopie multiphotonique couplés à la simplicité d'implémentation et les relativement faibles puissances utilisées pour saturer l'excitation font de cette technique un excellent candidat pour des études in vivo dans des zones en profondeur dans des milieux diffusants comme la peau.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
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Les avancées technologiques concernant la microscopie ont permis la création d'une grande variété de systèmes optiques dédiés à l'investigation du comportement dynamique des cellules in vivo. En neuroscience, le dé réside dans l'observation des interactions entre des neurones marqués d'un fluorophore qui sont situés à différentes profondeurs dans le tissu. Afin d'y arriver, il est nécessaire de balayer l'échantillon sur plusieurs plans transverses pour couvrir entièrement son volume. Puisque cette procédure diminue la résolution temporelle, il a été proposé d'utiliser un axicon pour augmenter la profondeur de champ du microscope et réduire le nombre de balayages à effectuer. Cependant, l'axicon est di cile à fabriquer et possède généralement des défauts sur la pointe du cône, dégradant ainsi la qualité de la composante. En vue de remplacer l'axicon par une autre composante optique dont la fabrication n'entraîne pas de défaut, il a été envisagé d'utiliser une lentille à gradient d'indice couplée à une lentille simple (GRIN-axicon). Des simulations ont montré que le GRIN-axicon a le potentiel de produire un faisceau Bessel de bonne qualité. Toutefois, les tests expérimentaux ont été très brefs et il est nécessaire d'investiguer davantage le comportement de cette nouvelle composante en laboratoire. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de concevoir, fabriquer et caractériser un GRIN-axicon pour une application en microscopie multiphotonique. Comme objectif secondaire, on souhaite approfondir la théorie reliée à cette nouvelle composante.
Technological advances in microscopy have led to the creation of a wide variety of optical systems dedicated to the investigation of the dynamic behavior of cells in vivo. In neuroscience, the challenge lies in the observation of interactions between labeled neurons located at different depths in the tissue. In order to achieve this, it is necessary to scan the sample on several transverse planes to fully cover its volume. Since this procedure decreases the temporal resolution, it has been proposed to use an axicon to increase the depth of field of the microscope and reduce the number of scans to be performed. However, the axicon is di cult to manufacture and usually has defects on the tip of the cone, thus degrading the quality of the component. In order to replace the axicon by another optical component easier to manufacture, the use of a graded index lens coupled to a single lens (GRIN-axicon) was considered. Simulations have shown that the GRIN-axicon has the potential to produce a good quality Bessel beam. However, experimental tests have been very limited and it is necessary to further investigate the behaviour of this new component in the laboratory. The objective of this master's project is therefore to design, manufacture and characterize a GRIN-axicon for application in multiphoton microscopy. As a secondary objective, we wish to deepen the theory related to this new component.

La compréhension des modes d’actions biologiques des virus dans une cellule hôte est un sujet complexe pour lequel nous pensons que les solutions optiques pourraient apporter des éléments de réponse nouveaux. Cependant, les dimensions des particules virales sont environ 3 fois plus petites que la résolution d’un microscope optique. Nous proposons de tester une nouvelle stratégie instrumentale et computationnelle, reposant sur la microscopie multiphotonique, pour visualiser des objets dont les dimensions sont de l’ordre de quelques centaines de nanomètres. Cette stratégie repose sur la prise en compte de la réponse impulsionnelle de l’instrument (PSF pour Point Spread Function) in situ, modélisée mathématiquement. A partir de ce modèle qui prend en compte les distorsions optiques locales, un post-traitement numérique des images est appliqué en vue d’optimiser la qualité visuelle des images. Nous faisons des tests sur deux populations de virus : les Cytomégalovirus (CMV) et le SARS-CoV-2.

Nous présentons une nouvelle stratégie instrumentale et computationnelle appelée FAMOUS (pour fast algorithm for three-dimensional (3D) multiphoton microscopy of biomedical structures) basée sur une approche de microscopie multiphotonique assistée par calcul. Le but est l’amélioration visuelle des images d'échantillons biologiques épais offrant ainsi un nouveau point de vue sur les structures biologiques. L'approche de post-traitement repose sur un algorithme de restauration d'image régularisé, alimenté par une estimation 3D précise de la fonction d'étalement du point (Point Spread Function en anglais, PSF) de l'instrument sur toute la profondeur des structures. Cette dernière étape revient à mesurer, grâce à un algorithme d'ajustement de modèle avancé, les distorsions variant en profondeur de l'image résultant de la combinaison entre la contribution instrumentale et les hétérogénéités du milieu. Les performances du pipeline FAMOUS sont évaluées pour un milieu hétérogène constitué d’un muscle entier de souris. La génération de seconde harmonique (SHG), émise par l'assemblage des chaines de myosine du muscle est enregistrée. Les artefacts optiques issus de la chaîne d'acquisition incluant des hétérogénéités dans les 3 dimensions sont estimés avec les spécificités propres à l’échantillon puis retirées numériquement. Des images brutes et restaurées sur 5 µm de l’ultrastructure fine du muscle illustrent la robustesse du pipeline FAMOUS.