Imagerie de super résolution en diffusion Raman stimulée pour des tissus biologiques

Super resolution imaging in coherent Raman scattering for biological tissues

• Auteur / Autrice : Julien Guilbert
• Direction : Sylvain Gigan, Hilton Barbosa de Aguiar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/03/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Gigan, Hilton Barbosa de Aguiar, Gilles Tessier, Dario Polli, Emmanuel Beaurepaire, Alexandra Fragola, Sandrine Lévêque-Fort
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dario Polli, Emmanuel Beaurepaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Diffusion Raman stimulée

Super-résolution

Imagerie

Optique

Tissu biologique

Reconstruction algorithmique

Stimulated Raman scattering

Super resolution

Imaging

Optics

Biological tissue

Algorithmic reconstruction

Résumé

L’objectif de ce doctorat est de développer une nouvelle technique d’imagerie et notamment une méthode n’utilisant pas de marqueurs chimiques. Plus précisément, cette thèse se propose de développer une technique d’imagerie de super résolution sans marqueur et compatible avec les tissus biologiques qui sont généralement considérés comme fragiles, c'est-à-dire qu’ils ne peuvent supporter une densité d’énergie trop élevée. Afin d’imager des tissus sans marqueur et de pouvoir cibler un type précis de molécule, la diffusion Raman est une candidate idéale, car toutes les molécules possèdent des signatures uniques appelées résonances de diffusion Raman. Cependant, le caractère spontané de l’émission ne permettrait pas d’imager suffisamment rapidement. Une solution communément employée et que nous avons exploitée dans cette thèse est l’utilisation du signal de la diffusion Raman cohérente qui améliore considérablement la section efficace du signal et donc la vitesse d’imagerie. Néanmoins, les techniques de microscopie sont limitées en résolution par la diffraction, ce qui peut être problématique lors de l’imagerie de structures biologiques sub-longueur d’onde. Afin d’obtenir des images allant au-delà de la limite de résolution, nous avons choisi de développer durant cette thèse une technique utilisant la diffusion Raman cohérente avec une stratégie originale de balayage de faisceau afin de pouvoir l’utiliser en combinaison avec des techniques de microscopie par illuminations structurées. Nous montrerons dans le manuscrit des simulations numériques de cette technique et des images expérimentales sur des objets calibrés, mais également sur des tranches de cerveau de souris pour démontrer que cette technique est effectivement capable d’atteindre la super résolution, mais qu’elle est également compatible avec l’imagerie de tissus biologiques. Nous développons ensuite des idées pour aller plus loin et améliorer les performances de cette nouvelle technique d’imagerie.

The objective of this PhD is to develop a new imaging technique and in particular a method which is not using any chemical markers. More precisely, this PhD proposes to develop a super-resolution imaging technique which does not require any markers and is compatible with biological tissues which are generally considered as fragile, i.e. they cannot support a too high energy density. In order to image tissues without markers and to be able to target a specific type of molecule, Raman scattering is an ideal candidate because all molecules have unique signatures called Raman scattering resonances. However, the spontaneous nature of the emission would not allow sufficiently fast imaging. A commonly used solution that we have exploited in this PhD is the use of the coherent Raman scattering signal which considerably improves the cross section of the signal and thus the imaging speed. Nevertheless, microscopy techniques are limited in resolution by diffraction, which can be problematic when imaging sub-wavelength biological structures. During this PhD, in order to obtain images beyond the resolution limit, we have chosen to develop a technique using coherent Raman scattering with an original scanning strategy that enables to use it in combination with structured illumination microscopy techniques. We will show in the manuscript numerical simulations of this technique and experimental images on calibrated objects but also on mouse brain slices to demonstrate that this technique is indeed able to reach super resolution but that it is also compatible with the imaging of biological tissues. We then elaborate on ideas to go further and improve the performances of this new imaging technique.