A structured-illumination miniscope for optically sectioned imaging and real-time neural decoding

Imaginez essayer d'écouter un violoniste jouant un solo magnifique au milieu d'une salle de concert animée et bruyante. C'est le combat quotidien des scientifiques qui veulent observer les cellules cérébrales individuelles « se parler » pendant qu'un animal court, saute ou explore. Pendant des années, ils ont utilisé de minuscules microscopes légers attachés à la tête de souris pour faire cela. Ces dispositifs sont comme de minuscules caméras capables de voir les signaux lumineux des neurones qui s'activent. Cependant, il y a un problème majeur : ces caméras voient tout ce qui se trouve devant elles, pas seulement la couche spécifique qu'elles observent. C'est comme essayer de prendre une photo nette d'une rangée de sièges spécifique dans un stade, mais la caméra capture aussi la foule floue et lumineuse des rangées supérieures et inférieures. Ce rayonnement « hors foyer » noie les détails, ce qui rend difficile de savoir exactement quel neurone fait quoi. Bien que des microscopes puissants et coûteux existent pour résoudre ce problème en utilisant des lasers spéciaux pour ignorer les couches floues, ils sont trop lourds et complexes pour être attachés à une souris en mouvement. Les scientifiques étaient donc coincés entre l'arbre et l'écorce : soit avoir une image nette d'une zone minuscule avec une machine lourde, soit avoir une caméra légère qui voit un désordre flou.

Ce document présente une solution ingénieuse et légère qui agit comme un « filtre intelligent » pour ces minuscules caméras. Les chercheurs ont construit un nouveau type de miniscope qui pèse moins de 3 grammes (environ autant qu'une pile AA) et utilise une astuce appelée « illumination structurée ». Pensez à l'idée de projeter la lumière d'une lampe de poche à travers une clôture à lattes sur un mur. Si vous projetez une lumière normale, vous voyez tout le mur. Mais si vous projetez la lumière à travers la clôture, vous voyez des rayures. La caméra intelligente de ce nouvel appareil prend deux clichés rapides : un avec une lumière normale et un autre avec la lumière « rayée ». En comparant ces deux images, l'ordinateur peut déterminer mathématiquement quelles parties de l'image sont nettes et en focus (les rayures sont claires) et quelles parties sont du bruit de fond flou (les rayures sont estompées). Il soustrait ensuite les parties floues, laissant derrière lui une image cristalline des seuls neurones qu'il observe. Cela permet à la souris de courir librement tout en permettant aux scientifiques d'obtenir des données de haute qualité et nettes sans avoir besoin d'un équipement lourd et coûteux.

Le « Filtre Intelligent » pour les Caméras Cérébrales

L'équipe, dirigée par des chercheurs de l'Institut Chinois pour la Recherche Cérébrale et de l'Université Normale de Pékin, a créé ce nouveau dispositif pour résoudre le problème du « fond flou ». Ils l'appellent un miniscope HiLo. Le nom provient de la technique qu'il utilise : le traitement de la lumière à haute fréquence (Hi) et basse fréquence (Lo).

Voici comment cela fonctionne en langage simple :
Le dispositif utilise deux minuscules LED bleues (sources de lumière). L'une projette une lumière normale et uniforme sur le cerveau. L'autre projette la lumière à travers une grille simple (appelée grille de Ronchi), créant un motif de rayures sur le cerveau. La caméra prend une photo de la lumière uniforme, puis une photo de la lumière rayée, et ce, très rapidement — 30 fois par seconde.

Parce que les neurones sur lesquels la caméra est focalisée sont nets, les rayures paraissent nettes sur eux. Mais les cellules floues en arrière-plan ne montrent pas clairement les rayures ; elles ressemblent simplement à une lueur diffuse. L'ordinateur regarde les deux images et dit : « D'accord, les parties qui ressemblent à des rayures sont le signal réel. Les parties qui ressemblent à une lueur diffuse sont juste du bruit de fond. » Il élimine ensuite la lueur diffuse et conserve le signal net. Le résultat est une vidéo du cerveau qui est beaucoup plus claire et possède un bien meilleur contraste que les caméras standards.

Ce qu'ils ont découvert : Des signaux plus clairs, plus de neurones

Les chercheurs ont testé ce nouveau microscope de plusieurs manières pour voir s'il fonctionnait réellement.

1. Il nettoie le bruit :
D'abord, ils ont observé des coupes de cerveau de souris. Les images du nouveau microscope HiLo montraient une réduction massive de la « lueur diffuse » par rapport aux images en champ large standard. Les neurones ressortaient nettement sur un fond sombre.

2. Il fonctionne sur des souris en mouvement :
Ensuite, ils ont attaché le dispositif sur la tête de souris et les ont regardées courir. Ils ont enregistré l'activité dans l'hippocampe, une partie du cerveau impliquée dans la mémoire et la navigation.

• Le Résultat : Les signaux des neurones individuels étaient beaucoup plus propres. Lorsqu'ils ont analysé les données, le « rapport signal sur bruit » (la quantité d'activité cérébrale réelle par rapport au flou de fond) était nettement meilleur avec le microscope HiLo qu'avec les modèles standards.
• Le point fascinant : Habituellement, pour obtenir des données propres à partir d'un microscope standard, les scientifiques doivent utiliser des programmes informatiques complexes pour « démélanger » les signaux après l'expérience. Cela prend beaucoup de temps et de puissance de calcul. Les chercheurs ont découvert qu'avec le microscope HiLo, ils pouvaient simplement faire une moyenne simple des pixels dans la zone d'un neurone, et le résultat était presque aussi bon que les données corrigées par ordinateur des microscopes standards. Cela signifie qu'ils peuvent obtenir des données de haute qualité immédiatement, sans attendre qu'un ordinateur lent les corrige plus tard.

3. Il voit plus de couches :
Le microscope possède également une lentille liquide spéciale capable de changer de mise au point très rapidement. L'équipe a utilisé cela pour observer deux profondeurs différentes dans le cerveau simultanément, en passant de l'une à l'autre 2,5 fois par seconde.

• Le Résultat : Cela leur a permis d'enregistrer beaucoup plus de neurones qu'auparavant. Ils ont constaté qu'en observant deux couches, ils obtenaient un groupe de neurones beaucoup plus large à étudier, et que les signaux des deux couches restaient clairs et fiables.

4. Il aide à décoder où se trouve la souris :
Parce que les signaux étaient si clairs, les chercheurs ont pu déterminer où se trouvait la souris dans la pièce simplement en regardant l'activité cérébrale.

• Le Résultat : Lorsqu'ils ont utilisé les signaux HiLo simples pour deviner la position de la souris, ils ont été beaucoup plus précis qu'avec les signaux standards en champ large. En fait, les signaux HiLo simples étaient presque aussi performants que les signaux complexes corrigés par ordinateur du microscope standard. Cela prouve que le « filtre intelligent » capture l'information importante au moment même de l'enregistrement.

Le test de « contrôle mental » : Une interface cerveau-machine en boucle fermée

La partie la plus excitante de l'étude était un test de « preuve de concept » pour voir si cette technologie pouvait être utilisée pour une interface cerveau-machine (BMI). Il s'agit d'un système où le cerveau contrôle une machine en temps réel.

La configuration :
Ils ont placé une souris dans une position fixe (fixée à la tête) et lui ont présenté une odeur. Lorsque l'activité cérébrale de la souris correspondait à un motif spécifique (comme un signal « je sens ceci »), l'ordinateur lui donnait immédiatement une goutte d'eau sucrée en récompense.

Le défi :
Pour que cela fonctionne, l'ordinateur doit lire le signal cérébral, décider s'il correspond au motif et délivrer la récompense instantanément. Si le signal est flou ou si l'ordinateur met trop de temps à le nettoyer, le système échoue.

Le Résultat :
En utilisant le microscope HiLo, le système a parfaitement fonctionné. Parce que le microscope fournissait des signaux très clairs instantanément, l'ordinateur pouvait détecter le « motif d'odeur » en temps réel et déclencher la récompense. Les souris ont appris à contrôler le système ; elles pouvaient moduler leur activité cérébrale pour obtenir plus de récompenses. Cela a montré que le microscope HiLo est assez rapide et clair pour être utilisé dans des expériences en temps réel où le cerveau communique avec une machine et reçoit un retour immédiat.

Pourquoi cela importe

Cet article ne prétend pas avoir inventé une baguette magique qui résout tous les problèmes de la neurosciences. Les auteurs notent avec prudence que leur dispositif ne voit pas aussi profondément dans le cerveau que les lourds et coûteux microscopes multiphotoniques, et qu'il ne sépare pas les neurones superposés aussi parfaitement que les algorithmes informatiques les plus avancés.

Cependant, ils ont démontré que l'illumination structurée est une méthode pratique, accessible et hautement efficace pour améliorer la qualité de l'imagerie cérébrale chez les animaux en mouvement libre. En nettoyant l'image avant même que l'ordinateur ne la voie, ils ont rendu possible l'obtention de données de haute qualité sans nécessiter d'équipement lourd ou de traitement complexe et lent. Cela ouvre la porte à davantage d'expériences nécessitant un retour d'information rapide et en temps réel, aidant à comprendre comment le cerveau fonctionne alors qu'un animal est réellement en train d'agir, plutôt que de simplement rester immobile.

En résumé, ils ont construit une minuscule caméra intelligente qui filtre le bruit, permettant aux scientifiques d'entendre le « violoniste » clairement, même au milieu de la « salle de concert ».