Computational aberration-corrected volumetric imaging of single retinal cell dynamics in the living eye
Cet article présente l'ophtalmoscopie à balayage laser par illumination plénoptique (PI-SLO), une modalité d'imagerie 3D à grand champ et haute vitesse qui surmonte les aberrations oculaires pour permettre une imagerie volumétrique non invasive, à résolution cellulaire, de la dynamique rétinienne dans des yeux vivants.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
L'œil humain est bien plus qu'une simple fenêtre sur le monde ; c'est la seule partie du système nerveux central dans laquelle les médecins peuvent regarder directement sans chirurgie. À l'intérieur de cette petite sphère transparente se trouve la rétine, une fine couche de tissu remplie de neurones, de vaisseaux sanguins et de cellules immunitaires qui travaillent ensemble pour traiter la lumière. Parce que ces cellules sont si petites et si étroitement serrées, étudier comment elles se déplacent et communiquent entre elles chez un animal vivant a été incroyablement difficile. Les caméras traditionnelles ont du mal à voir profondément à l'intérieur de l'œil car le propre cristallin de l'œil est imparfait, ce qui brouille l'image, tandis que les microscopes puissants capables de voir des cellules individuelles nécessitent souvent une chirurgie invasive ou se déplacent si lentement qu'ils manquent des événements biologiques rapides. Les scientifiques voulaient depuis longtemps un moyen de regarder ces minuscules conversations cellulaires se produire en temps réel, sur une zone étendue, sans blesser le tissu délicat.
Une équipe de chercheurs de l'Université Johns Hopkins a mis au point une nouvelle façon de faire exactement cela. Ils ont créé un système d'imagerie spécialisé qui agit comme une caméra trois dimensions à haute vitesse pour l'œil vivant. Au lieu de s'appuyer sur un matériel complexe pour corriger physiquement la vision floue de l'œil, leur système utilise une astuce ingénieuse avec la lumière et le traitement informatique. Le dispositif projette de la lumière dans l'œil sous de nombreux angles légèrement différents en succession rapide. Lorsque la lumière frappe la rétine, elle excite les cellules lumineuses, et un capteur collecte la lumière qui en rebondit. Parce que la lumière entre de différentes directions, la position de chaque cellule brillante change légèrement dans les images capturées, tout comme un arbre semble bouger lorsque vous passez devant lui. En capturant ces décalages sous des dizaines d'angles en moins d'une seconde, les chercheurs peuvent utiliser un ordinateur pour déterminer exactement où se trouve chaque cellule dans l'espace tridimensionnel, éliminant ainsi efficacement le flou causé par les imperfections de l'œil.
En utilisant cette méthode, appelée ophtalmoscopie par balayage d'illumination plénoptique, l'équipe a pu observer la rétine de souris vivante avec un niveau de détail sans précédent. Ils se sont concentrés sur trois domaines clés : les cellules immunitaires qui patrouillent l'œil, les vaisseaux sanguins qui le nourrissent et les neurones qui traitent les signaux visuels. Dans la première série d'expériences, ils ont suivi les mouvements d'environ cent cellules immunitaires sur une période de treize minutes. Ils ont découvert que ces cellules ne sont pas toutes identiques ; celles qui se trouvent près de la surface de la rétine étaient beaucoup plus actives que celles enfouies plus profondément dans le tissu. Cela suggère que différentes couches de la rétine possèdent différents types d'activité immunitaire, un détail qui était auparavant impossible à observer clairement sur une zone aussi vaste. Le système a capturé ces mouvements à une vitesse de plus de vingt-trois volumes 3D complets par seconde, permettant aux chercheurs de voir les cellules étendre et rétracter leurs minuscules branches en temps réel.
Les chercheurs ont également utilisé le système pour cartographier le flux sanguin à travers les trois couches distinctes de vaisseaux de la rétine. En injectant un colorant fluorescent inoffensif dans la circulation sanguine, ils ont pu observer des cellules sanguines individuelles foncer à travers les capillaires. La technologie leur a permis de voir non seulement les principales couches horizontales de vaisseaux sanguins, mais aussi les minuscules connexions verticales qui plongent entre ces couches, lesquelles sont habituellement cachées à la vue. Ils ont mesuré la vitesse du flux sanguin dans ces petits vaisseaux, constatant que certains se déplaçaient à 0,68 millimètre par seconde tandis que d'autres étaient beaucoup plus lents à 0,12 millimètre par seconde. Cette capacité à mesurer le flux dans tout le réseau simultanément fournit une image complète de la manière dont l'œil est alimenté en oxygène, ce qui est crucial pour comprendre des maladies comme le diabète et le glaucome.
Peut-être plus significativement encore, l'équipe a démontré qu'elle pouvait observer l'activité électrique du cerveau dans l'œil sans interrompre le mouvement de l'animal ni utiliser de sondes invasives. Ils ont utilisé un virus pour rendre spécifiques les neurones qui brillent lorsqu'ils deviennent actifs, puis ont stimulé l'œil de la souris avec un flash de lumière ultraviolette. Le système a capturé les signaux calciques résultants — des marqueurs chimiques de l'activité neuronale — dans deux couches différentes de neurones simultanément. Ils ont vu que les neurones individuels réagissaient différemment à la lumière, certains s'activant immédiatement et d'autres attendant, et ont même vu que différentes parties d'un même neurone pouvaient réagir de manières opposées. Ce niveau de détail, couvrant une large zone de la rétine et se produisant en temps réel, confirme que l'œil peut servir de fenêtre puissante sur le système nerveux central. La méthode nécessite des niveaux de lumière très faibles, réduisant le risque d'endommager l'œil, et fonctionne sans le matériel encombrant et coûteux qui a limité les tentatives précédentes. En transformant l'œil en un cinéma 3D clair et à haute vitesse pour la vie cellulaire, cette approche ouvre une nouvelle voie pour étudier le fonctionnement du cerveau et la manière dont les maladies le perturbent.
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