Microscopie par génération de troisième harmonique résolue en polarisation pour l'imagerie de la myéline et des biocristaux

par Joséphine Morizet

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Emmanuel Beaurepaire et de Chiara Stringari.

Soutenue le 24-02-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Agnès Maître.

Le jury était composé de Emmanuel Beaurepaire, Chiara Stringari, Laurent Bourdieu, Alexandra Fragola, Bruno Stankoff.

Les rapporteurs étaient Laurent Bourdieu, Alexandra Fragola.


  • Résumé

    Cette thèse s’intéresse à l'imagerie multiphotonique par génération de troisième harmonique (THG) combinée à des mesures résolues en polarisation (PTHG) sur des systèmes biologiques pour accéder à des informations complémentaires sur la morphologie et la microstructure de structures anisotropes. Une première application vise à extraire des informations de la gaine de myéline qui est la gaine lipidique entourant les axones du système nerveux central (CNS) des vertébrés, et dont la destruction dans des pathologies comme la sclérose en plaques est a l’origine de perturbations dans la propagation des influx nerveux. Une seconde application concerne les biocristaux, dont nous traiterons ici l’exemple de l’otolithe situe dans l’oreille interne du poisson-zèbre. Grâce à sa forte sensibilité aux discontinuités des propriétés optiques et à l’anisotropie des matériaux, la microscopie THG apparaît comme un outil de choix pour visualiser ces deux structures biologiques non-marquées avec une résolution submicrométrique.Dans ce manuscrit, nous présentons d’abord un travail fondamental de caractérisation analytique, numérique (modèle FDTD) et expérimentale de la réponse PTHG sur des structures modèles. Nous avons notamment mis en évidence la présence d'aberrations de la réponse PTHG au voisinage d’interfaces parallèles à l’axe de propagation du faisceau d’excitation induites par des désaccords d’indices. L'évaluation de la modulation artefactuelle induite par ces aberrations a permis d’interpréter la composante de modulation PTHG sur ces interfaces associée à l’ordre moléculaire dans des structures lipidiques modèles. Ensuite, nous décrivons la mise en place d’un dispositif d’acquisition PTHG rapide dédié à l’imagerie in vivo de structures biologiques. Nous présentons de nouvelles applications biologiques de la microscopie PTHG en utilisant une méthode d’analyse des signaux THG polarimétriques par transformée de Fourier. Enfin, nous présentons une étude systématique de caractérisation des contrastes THG/PTHG sur les fibres myélinisées du CNS de poissons-zèbres et de souris.

  • Titre traduit

    Polarization-resolved third harmonic generation microscopy for myelin and biocrystals imaging


  • Résumé

    This thesis focuses on multiphoton imaging by third harmonic generation (THG) combined with polarization resolved measurements (PTHG) on biological systems to access additional information on the morphology and microstructure of anisotro-pic structures. A first application aims at extracting information from the myelin sheath which is a ubiquitous lipid structure of the central nervous system (CNS) of vertebrates whose destruction in the pathology of multiple sclerosis causes disturbances in the propagation of nerve impulses. A second application concerns biocrystals, of which we will deal here with the example of the otolith located in the inner ear of the zebrafish. Thanks to its high sensitivity to discontinuities in optical properties and to the anisotropy of materials, THG microscopy appears to be a tool of choice for visualizing these unlabelled biological structures with submicrometric resolution.We first present a fundamental analytical, numerical (FDTD model) and experimental characterization of the PTHG response on model structures. In particular, we highlighted the presence of aberrations of the PTHG response in the vicinity of interfaces parallel to the excitation beam propagation axis induced by index mismatches. The evaluation of the artifactual modulation induced by these aberrations allowed the interpretation of the PTHG modulation component at these interfaces associated with the molecular order in model lipid structures. Next, we describe the implementation of a fast PTHG acquisition device dedicated to in vivo imaging of biological structures. We present new biological applications of PTHG microscopy using a Fourier Transform Polarimetric THG (FT-PTHG) signal analysis method. Finally, we present a systematic characterization study of THG/PTHG contrasts onmyelinated CNS fibers from zebrafish and mice.


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