Un microscope quantique pour voir dans les tissus biologiques

Les microscopes optiques sont essentiels en recherche biomédicale, fournissant des informations sur la structure et le fonctionnement d’échantillons biologiques de manière non invasive. Cependant, leurs performances sont limitées lorsque les échantillons sont trop épais. Par exemple, un microscope conventionnel ne parvient pas à produire des images nettes au-delà de quelques centaines de microns de profondeur dans les tissus biologiques. En effet, l’hétérogénéité du milieu dans lequel se propage la lumière induit des distorsions de l’onde lumineuse, appelées aberrations, qui dégradent significativement la résolution et le contraste de l’image.

L'optique adaptative regroupe des techniques optiques permettant de corriger ces aberrations. Cependant, leur mise en œuvre pratique est souvent complexe. En effet, pour corriger les aberrations, il est nécessaire de les mesurer avec précision au préalable, ce qui n’est possible que dans des configurations d’imagerie bien spécifiques et uniquement pour certains types d’échantillons. Des physiciens et physiciennes de l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP, CNRS / Sorbonne Université), en collaboration avec l’Université de Glasgow, le Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS / Collège de France / ENS-PSL / Sorbonne Université) et l’Université de Cambridge, ont proposé une nouvelle approche qui permet d’estimer directement les aberrations pour pouvoir les corriger plus efficacement.

Cette technique repose sur une propriété quantique, l’intrication (Figure 1). Dans un microscope, la lumière interagit avec l'objet que l'on souhaite observer avant de former une image sur la caméra. En présence d'aberrations, la propagation de la lumière est perturbée, conduisant à une image floue et de mauvaise qualité. En considérant la lumière non pas comme une onde, mais comme un flux de particules, ce phénomène peut être interprété comme si les photons étaient déviés dans des directions aléatoires au cours de leur propagation. Si les photons sont intriqués, ce qui implique qu'ils ont des directions de propagation fortement corrélées, ces déviations entraînent une perte de leurs corrélations. En détectant les photons un par un à l'aide d'une caméra très sensible, il est possible de mesurer la diminution des corrélations et donc de quantifier les aberrations. Un algorithme d'optique adaptative utilise ensuite cette mesure pour restaurer les corrélations entre les photons, permettant ainsi de retrouver une image nette sur la caméra. Les chercheurs ont par exemple appliqué cette technique dans un microscope à transmission plein champ pour imager une tête d'abeille en présence d'aberrations (Figure 2).

Réaliser des images détaillées de l'intérieur d'organismes, d'organes et de tissus entiers représente le rêve de longue date des biologistes et des médecins, qui permettrait d’observer le mouvement des cellules, les neurones en action, ou même d’effectuer des diagnostics médicaux in vivo sans recourir à la chirurgie. Bien que l'optique adaptative permette déjà d'explorer certaines profondeurs de tissus, ces techniques restent aujourd'hui très limitées en pratique. En exploitant l'intrication quantique, les chercheurs repoussent ces limites et ouvrent la voie à la microscopie optique de profondeur sans fluorescence. Cette étude, qui marque une avancée significative en microscopie optique, est publiée dans la revue Science.