Des ingénieurs créent un mini-microscope pour l'imagerie cérébrale en temps réel

Des chercheurs de l’Université de Californie à Davis ont créé un microscope miniaturisé permettant une imagerie non invasive, en temps réel et à haute résolution, de l'activité cérébrale chez la souris. Cet appareil constitue une avancée majeure pour révolutionner la façon dont les neuroscientifiques étudient le cerveau.

« Nous créons une technologie permettant d'imager l'activité cérébrale de souris en mouvement et en comportement libre afin d'élargir le paradigme comportemental », a déclaré Weijian Yang, professeur de génie électrique et informatique. « L'objectif est de créer un dispositif permettant de mener des recherches en temps réel sur l'activité cérébrale et le comportement des souris, afin d'observer comment l'activité cérébrale influence le comportement ou la perception. »

Le microscope permettra de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau, ce qui devrait être bénéfique pour la santé humaine en permettant le développement de stratégies thérapeutiques nouvelles et améliorées pour les troubles cérébraux .

Le premier système d'imagerie en son genre, connu sous le nom de DeepInMiniscope, est décrit dans un article publié le 12 septembre dans Science Advances . 

Conception itérative

DeepInMiniscope s'appuie sur les travaux précédents de Yang pour créer  un appareil photo sans objectif capable de produire des images tridimensionnelles à partir d'une seule exposition. 

Ce système d'imagerie était parfaitement adapté aux objets volumineux dans des environnements à diffusion lumineuse minimale, comme la vision robotique pour l'assemblage de pièces, mais peinait à capturer les détails des échantillons biologiques ou biomédicaux. Dans les tissus vivants, la diffusion lumineuse est fréquente, le contraste du signal est généralement faible et la reconstruction de caractéristiques complexes sur un grand volume d'espace constitue un problème informatique.

DeepInMiniscope résout ces problèmes grâce à un nouveau masque contenant plus de 100 lentilles miniaturisées haute résolution. Un nouveau réseau neuronal combine les images de chaque lentille pour reconstruire des images en 3D. 

Des connaissances approfondies (d'apprentissage)

Le réseau neuronal de DeepInMiniscope combine différentes approches d'apprentissage automatique pour créer un réseau neuronal déroulé, permettant une reconstruction instantanée, précise et haute résolution de détails fins sur un grand volume 3D. Grâce à cet outil, Yang et son équipe de recherche ont enregistré l'activité neuronale d'une souris en temps réel.

« Notre algorithme allie interprétabilité, efficacité, évolutivité et précision », a déclaré Feng Tian, ​​chercheur postdoctoral au laboratoire de Yang et premier auteur de l'article correspondant. « Il ne nécessite qu'une quantité minimale de données d'apprentissage, tout en étant capable de traiter des ensembles de données volumineux avec robustesse et précision, et ce, à grande vitesse. »

Tour de chapeau

En rendant son microscope suffisamment petit et ergonomique pour qu'une souris puisse le porter confortablement et en toute sécurité tout en se déplaçant librement, Yang vise à permettre aux neuroscientifiques d'étudier le comportement en temps réel.

Avec seulement 3 centimètres carrés, soit environ la taille d'un raisin, et un poids d'environ quatre centimes à 10 grammes, DeepInMiniscope y est presque. 

Alors qu'auparavant, des conceptions similaires étaient limitées par l'encombrement important d'une caméra traditionnelle, DeepInMiniscope utilise un capteur aussi compact qu'une carte de circuit imprimé nue avec un capteur d'image, plutôt qu'un système autonome et fermé.

L'objectif ultime de Yang est de créer un appareil de 2 centimètres carrés, qu'il compare à la taille d'un chapeau pour une souris. De plus, pour la prochaine version, Yang souhaite rendre l'appareil sans fil.

« En permettant l’observation en temps réel de l’activité cérébrale chez des souris en liberté, cette technologie fait non seulement progresser notre compréhension fondamentale de la façon dont le cerveau traite l’information et détermine le comportement, mais contribue également à améliorer notre compréhension des troubles cérébraux et au développement de futures stratégies thérapeutiques chez l’homme. »

https://www.ucdavis.edu/news/engineers-create-mini-microscope-real-time-brain-imaging