EDP Sciences 1777042169 20260424 fre

laboutique.edpsciences.fr-002198 03 01 01 002198 03 9782759826544 15 9782759826544 00 BA 02 155 mm 01 230 mm 10 01 02 Savoirs Actuels 1 B16 01 C4 Michèle Leduc 01 01 Imager l'invisible avec la lumière Comment l’optique moderne révolutionne l’imagerie du vivant 1 A01 01 A2093 Cathie Ventalon Ventalon, Cathie Cathie Ventalon Cathie Ventalon est chercheuse CNRS à l’institut de biologie de l’École normale supérieure. Elle développe de nouvelles méthodes optiques pour les neurosciences, dans le but d’étudier le lien entre l’activité neuronale et les comportements, la mémoire ou la perception sensorielle. 2 A01 01 A2094 Sylvain Gigan Gigan, Sylvain Sylvain Gigan Sylvain Gigan est professeur à Sorbonne Université et chercheur au Département de Physique de l’École normale supérieure. Il travaille sur la propagation de la lumière, en particulier pour l’imagerie, dans les milieux complexes et biologiques. 01 fre 00 140 03 02 24 Izibook:Subject Ondes / optique 24 Izibook:Subject Biologie médicale 24 Izibook:SubjectAndCategoryAndTags |Ondes / optique| 24 Izibook:SubjectAndCategoryAndTags |Biologie médicale| 20 lumière;optique;imagerie;microscope;laser;biologie;cellulle 10 2011 SCI053000 01 530 05 06 06 03 00 <blockquote>Notre oeil est un outil exceptionnel qui reste néanmoins limité en résolution et en sensibilité. Même avec les appareils traditionnels de l’optique, comme les microscopes, il n’est pas possible de pénétrer les environnements complexes. Les nouveaux instruments de la physique, en particulier les lasers, ont permis des avancées qui étaient jusqu’à récemment du domaine de la science-fiction : voir en profondeur dans un tissu biologique, discerner une molécule unique, visualiser le fonctionnement interne d’une cellule ou encore voir un neurone en action. Quelles techniques, quels outils ont permis ces avancées ?Le livre décrit tour à tour le microscope, l’optique adaptative, l’imagerie en milieu diffusant, l’holographie et la microscopie de fluorescence. Il présente de manière accessible les concepts physiques en jeu et montre que nous avons aujourd’hui des outils permettant de répondre à des questions fascinantes : comment fonctionne notre cerveau, neurone par neurone ? Peut-on détecter précocement un cancer ou des maladies de la rétine ?</blockquote><blockquote>Mention spéciale du jury du Prix Roberval 2024 dans la catégorie 'Enseignement Supérieur' <img src="https://laboutique.edpsciences.fr/system/store_assets/data/008/363/772/original/sticker_coup_de_coeur_JURY_%28002%29.png?1733905864" style="width: 125.486px; height: 125.486px;"></blockquote> Notre oeil est un outil exceptionnel qui reste néanmoins limité en résolution et en sensibilité. Même avec les appareils traditionnels de l’optique, comme les microscopes, il n’est pas possible de pénétrer les environnements complexes. Les nouveaux instruments de la physique, en particulier les lasers, ont permis des avancées qui étaient jusqu’à récemment du domaine de la science-fiction : voir en profondeur dans un tissu biologique, discerner une molécule unique, visualiser le fonctionnement interne d’une cellule ou encore voir un neurone en action. Quelles techniques, quels outils ont permis ces avancées ?Le livre décrit tour à tour le microscope, l’optique adaptative, l’imagerie en milieu diffusant, l’holographie et la microscopie de fluorescence. Il présente de manière accessible les concepts physiques en jeu et montre que nous avons aujourd’hui des outils permettant de répondre à des questions fascinantes : comment fonctionne notre cerveau, neurone par neurone ? Peut-on détecter précocement un cancer ou des maladies de la rétine ? 02 00 Le livre décrit tour à tour le microscope, l’optique adaptative, l’imagerie en milieu diffusant, l’holographie et la microscopie de fluorescence. Il présente de manière accessible les concepts physiques en jeu et montre que nous avons aujourd’hui des outils permettant de répondre à des questions fascinantes : comment fonctionne notre cerveau, neurone par neurone ? Peut-on détecter précocement un cancer ou des maladies de la rétine ? 04 00 Introduction générale vii<o:p></o:p>1 Imager, résoudre et agrandir : le microscope 1<o:p></o:p>1.1 Une vision unifiée des systèmes d’imagerie optique . . .. . . . . . . . 1<o:p></o:p>1.1.1 Introduction : du microscope au lecteur DVD . . . . .. . . . 1<o:p></o:p>1.1.2 Microscopie plein champ et à balayage . . . . . . . .. . . . . 3<o:p></o:p>1.1.3 Réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4<o:p></o:p>1.2 Le microscope à balayage . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.1 Formation de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.2 La résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 7<o:p></o:p>1.2.3 Le grandissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 10<o:p></o:p>1.3 Les nouvelles microscopies optiques . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10<o:p></o:p>1.3.1 Amélioration du contraste . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 11<o:p></o:p>1.3.2 Amélioration de la résolution . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 14<o:p></o:p>1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 16<o:p></o:p>2 Optique adaptative 19<o:p></o:p>2.1 Formation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.1 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.2 La diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 22<o:p></o:p>2.2 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.1 Aberrations optiques . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.2 Milieux non homogènes aberrants . . . . . . . . . . .. . . . . 26<o:p></o:p>2.2.3 Qualité des images . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3 Optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3.1 Correction de surface d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 29<o:p></o:p>2.3.2 Mesure de surface d’onde . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 31<o:p></o:p>2.3.3 Etoile guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 33<o:p></o:p>2.4 Optique adaptative en astronomie . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 34<o:p></o:p>2.5 Optique adaptative pour les applications biomédicales .. . . . . . . . 38<o:p></o:p>2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 41<o:p></o:p>3 Imager en milieux diffusants 45<o:p></o:p>3.1 Milieux diffusants . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.1 Lumière balistique, diffusion simple et multiple . . .. . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.2 Ordre de grandeur en biologie . . . . . . . . . . . .. . . . . . 463.1.3 Imagerie balistique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 47<o:p></o:p>3.2 Imager avec la lumière diffuse . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 49<o:p></o:p>3.2.1 Le speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 50<o:p></o:p>3.2.2 Le contrôle de front d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 51<o:p></o:p>3.2.3 La conjugaison de phase . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 52<o:p></o:p>3.2.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 53<o:p></o:p>3.2.5 Matrice de transmission . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 55<o:p></o:p>3.2.6 Imager grâce au contrôle de front d’onde . . . . . . .. . . . . 57<o:p></o:p>4 Holographie 63<o:p></o:p>4.1 Introduction à l’holographie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.1 Tridimensionnalité ou stéréoscopie ? . . . . . . . . .. . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.2 Enregistrer ou restituer ? . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 66<o:p></o:p>4.1.3 Phase des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 67<o:p></o:p>4.1.4 Notion de cohérence . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 69<o:p></o:p>4.2 Principe de l’holographie . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.1 L’holographie : enregistrement . . . . . . . . . . . .. . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.2 Restitution analogique de l’hologramme . . . . . . . .. . . . . 72<o:p></o:p>4.3 Holographie numérique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.1 Configuration expérimentales . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.2 Reconstruction numérique . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 74<o:p></o:p>4.4 Applications en microscopie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.1 Refocalisation numérique et suivi d’objets. . . . . .. . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.2 Imagerie holographique doppler . . . . . . . . . . . .. . . . . 78<o:p></o:p>4.4.3 Imagerie de phase quantitative . . . . . . . . . . . .. . . . . . 80<o:p></o:p>4.5 La projection holographique en microscopie et enbiologie . . . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.1 Hologrammes de synthèse . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.2 Projection dynamique de motifs optiques . . . . . . .. . . . . 87<o:p></o:p>4.5.3 Applications optogénétiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 88<o:p></o:p>4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 96<o:p></o:p>5 Microscopie de Fluorescence 99<o:p></o:p>5.1 Fluorescence et marqueurs fluorescents pour la biologie. . . . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.1 Qu’est-ce que la fluorescence ? . . . . . . . . . . .. . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.2 Les protéines fluorescentes et leurs applications enbiologie . . 101<o:p></o:p>5.2 Microscopie plein champ conventionnelle . . . . . . . .. . . . . . . . . 104<o:p></o:p>5.2.1 Architecture et grandissement du microscope pleinchamp . . 105<o:p></o:p>5.2.2 Définition de la PSF et résolution latérale . . . . .. . . . . . . 106<o:p></o:p>5.2.3 Forme de la PSF dans les 3 dimensions spatiales . . .. . . . . 107<o:p></o:p>5.2.4 Formation des images . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 108<o:p></o:p>5.2.5 Le problème du fond . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 111<o:p></o:p>5.2.6 Une application de la microscopie plein champ en neurosciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 112<o:p></o:p>5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3 Microscopies à balayage laser . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.1 Microscopie confocale . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.2 Microscopie à deux photons . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 1195.4 Techniques de microscopie rapides à sectionnement optique . . . . . . 123<o:p></o:p>5.4.1 Microscopie confocale à disque rotatif . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.4.2 Microscopie à feuille de lumière . . . . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 129<o:p></o:p>Conclusion 133<o:p></o:p>Remerciements 135<o:p></o:p>Les auteurs 137<o:p></o:p>Sponsors 139<o:p></o:p> Introduction générale vii<o:p></o:p>1 Imager, résoudre et agrandir : le microscope 1<o:p></o:p>1.1 Une vision unifiée des systèmes d’imagerie optique . . .. . . . . . . . 1<o:p></o:p>1.1.1 Introduction : du microscope au lecteur DVD . . . . .. . . . 1<o:p></o:p>1.1.2 Microscopie plein champ et à balayage . . . . . . . .. . . . . 3<o:p></o:p>1.1.3 Réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4<o:p></o:p>1.2 Le microscope à balayage . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.1 Formation de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.2 La résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 7<o:p></o:p>1.2.3 Le grandissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 10<o:p></o:p>1.3 Les nouvelles microscopies optiques . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10<o:p></o:p>1.3.1 Amélioration du contraste . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 11<o:p></o:p>1.3.2 Amélioration de la résolution . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 14<o:p></o:p>1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 16<o:p></o:p>2 Optique adaptative 19<o:p></o:p>2.1 Formation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.1 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.2 La diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 22<o:p></o:p>2.2 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.1 Aberrations optiques . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.2 Milieux non homogènes aberrants . . . . . . . . . . .. . . . . 26<o:p></o:p>2.2.3 Qualité des images . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3 Optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3.1 Correction de surface d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 29<o:p></o:p>2.3.2 Mesure de surface d’onde . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 31<o:p></o:p>2.3.3 Etoile guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 33<o:p></o:p>2.4 Optique adaptative en astronomie . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 34<o:p></o:p>2.5 Optique adaptative pour les applications biomédicales .. . . . . . . . 38<o:p></o:p>2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 41<o:p></o:p>3 Imager en milieux diffusants 45<o:p></o:p>3.1 Milieux diffusants . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.1 Lumière balistique, diffusion simple et multiple . . .. . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.2 Ordre de grandeur en biologie . . . . . . . . . . . .. . . . . . 46<o:p></o:p>iv Imager l’invisible avec la lumière<o:p></o:p>3.1.3 Imagerie balistique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 47<o:p></o:p>3.2 Imager avec la lumière diffuse . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 49<o:p></o:p>3.2.1 Le speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 50<o:p></o:p>3.2.2 Le contrôle de front d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 51<o:p></o:p>3.2.3 La conjugaison de phase . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 52<o:p></o:p>3.2.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 53<o:p></o:p>3.2.5 Matrice de transmission . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 55<o:p></o:p>3.2.6 Imager grâce au contrôle de front d’onde . . . . . . .. . . . . 57<o:p></o:p>4 Holographie 63<o:p></o:p>4.1 Introduction à l’holographie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.1 Tridimensionnalité ou stéréoscopie ? . . . . . . . . .. . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.2 Enregistrer ou restituer ? . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 66<o:p></o:p>4.1.3 Phase des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 67<o:p></o:p>4.1.4 Notion de cohérence . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 69<o:p></o:p>4.2 Principe de l’holographie . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.1 L’holographie : enregistrement . . . . . . . . . . . .. . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.2 Restitution analogique de l’hologramme . . . . . . . .. . . . . 72<o:p></o:p>4.3 Holographie numérique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.1 Configuration expérimentales . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.2 Reconstruction numérique . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 74<o:p></o:p>4.4 Applications en microscopie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.1 Refocalisation numérique et suivi d’objets. . . . . .. . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.2 Imagerie holographique doppler . . . . . . . . . . . .. . . . . 78<o:p></o:p>4.4.3 Imagerie de phase quantitative . . . . . . . . . . . .. . . . . . 80<o:p></o:p>4.5 La projection holographique en microscopie et enbiologie . . . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.1 Hologrammes de synthèse . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.2 Projection dynamique de motifs optiques . . . . . . .. . . . . 87<o:p></o:p>4.5.3 Applications optogénétiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 88<o:p></o:p>4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 96<o:p></o:p>5 Microscopie de Fluorescence 99<o:p></o:p>5.1 Fluorescence et marqueurs fluorescents pour la biologie. . . . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.1 Qu’est-ce que la fluorescence ? . . . . . . . . . . .. . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.2 Les protéines fluorescentes et leurs applications enbiologie . . 101<o:p></o:p>5.2 Microscopie plein champ conventionnelle . . . . . . . .. . . . . . . . . 104<o:p></o:p>5.2.1 Architecture et grandissement du microscope pleinchamp . . 105<o:p></o:p>5.2.2 Définition de la PSF et résolution latérale . . . . .. . . . . . . 106<o:p></o:p>5.2.3 Forme de la PSF dans les 3 dimensions spatiales . . .. . . . . 107<o:p></o:p>5.2.4 Formation des images . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 108<o:p></o:p>5.2.5 Le problème du fond . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 111<o:p></o:p>5.2.6 Une application de la microscopie plein champ en<o:p></o:p>neurosciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 112<o:p></o:p>5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3 Microscopies à balayage laser . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.1 Microscopie confocale . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.2 Microscopie à deux photons . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 119<o:p></o:p>Table des matières v<o:p></o:p>5.4 Techniques de microscopie rapides à sectionnementoptique . . . . . . 123<o:p></o:p>5.4.1 Microscopie confocale à disque rotatif . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.4.2 Microscopie à feuille de lumière . . . . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 129<o:p></o:p>Conclusion 133<o:p></o:p>Remerciements 135<o:p></o:p>Les auteurs 137<o:p></o:p>Sponsors 139<o:p></o:p> 03 00 01 INSERM LE MAGAZINE Imager l’invisible avec la lumière https://laboutique.edpsciences.fr/review/322 01 20230403 03 00 02 Back To Science Parution de ‘Imager l’invisible avec la lumière – Comment l’optique moderne révolutionne l’imagerie du vivant’ https://backtoscience.com/index.php/2023/01/03/parution-de-imager-linvisible-avec-la-lumiere/ 01 20230103 21 00 06 01 https://laboutique.edpsciences.fr/produit/1309/9782759826551/imager-l-invisible-avec-la-lumiere 01 00 03 02 https://laboutique.edpsciences.fr/system/product_pictures/data/009/982/829/original/9782759826544-Imager-invisible_couv-sofedis.jpg 17 14 20240913T173310+0200 15 00 03 02 https://laboutique.edpsciences.fr/system/product_pictures/data/009/982/830/original/9782759826544-Imager-invisible_THUMBNAIL.jpg 17 14 20240930T085110+0200 01 P1 EDP Sciences 01 01 P1 EDP Sciences 17 avenue du Hoggar - PA de Courtaboeuf - 91944 Les Ulis cedex A http://publications.edpsciences.org/ 04 11 00 20230112 01 00 20230112 19 00 20230112 2026 06 3052868830012 01 WORLD 27 03 9782759826551 15 9782759826551 WORLD 08 EDP Sciences 04 01 00 20230112 03 01 D1 EDP Sciences 21 04 05 01 02 1 00 22.00 01 5.50 1.15 EUR laboutique.edpsciences.fr-R001843 03 01 01 R001843 00 ED E107 00 01 01 Imager l'invisible avec la lumière Comment l’optique moderne révolutionne l’imagerie du vivant 01 fre 08 154 03 22 17849781 17 01 P1 EDP Sciences 01 01 P1 EDP Sciences 17 avenue du Hoggar - PA de Courtaboeuf - 91944 Les Ulis cedex A http://publications.edpsciences.org/ 11 00 20230112 02 01 002199 03 9782759826551 15 9782759826551 03 01 D1 EDP Sciences 45 03 laboutique.edpsciences.fr-002199 03 01 01 002199 03 9782759826551 15 9782759826551 10 EA E107 10 00 01 R001843 ED E107 1 10 01 02 Savoirs Actuels 1 B16 01 C4 Michèle Leduc 01 01 Imager l'invisible avec la lumière Comment l’optique moderne révolutionne l’imagerie du vivant 1 A01 01 A2093 Cathie Ventalon Ventalon, Cathie Cathie Ventalon Cathie Ventalon est chercheuse CNRS à l’institut de biologie de l’École normale supérieure. Elle développe de nouvelles méthodes optiques pour les neurosciences, dans le but d’étudier le lien entre l’activité neuronale et les comportements, la mémoire ou la perception sensorielle. 2 A01 01 A2094 Sylvain Gigan Gigan, Sylvain Sylvain Gigan Sylvain Gigan est professeur à Sorbonne Université et chercheur au Département de Physique de l’École normale supérieure. Il travaille sur la propagation de la lumière, en particulier pour l’imagerie, dans les milieux complexes et biologiques. 01 fre 08 140 03 02 24 Izibook:Subject Ondes / optique 24 Izibook:Subject Biologie médicale 24 Izibook:SubjectAndCategoryAndTags |Ondes / optique| 24 Izibook:SubjectAndCategoryAndTags |Biologie médicale| 20 lumière;optique;imagerie;microscope;laser;biologie;cellulle 10 2011 SCI053000 01 530 05 06 06 03 00 <blockquote>Notre oeil est un outil exceptionnel qui reste néanmoins limité en résolution et en sensibilité. Même avec les appareils traditionnels de l’optique, comme les microscopes, il n’est pas possible de pénétrer les environnements complexes. Les nouveaux instruments de la physique, en particulier les lasers, ont permis des avancées qui étaient jusqu’à récemment du domaine de la science-fiction : voir en profondeur dans un tissu biologique, discerner une molécule unique, visualiser le fonctionnement interne d’une cellule ou encore voir un neurone en action. Quelles techniques, quels outils ont permis ces avancées ?Le livre décrit tour à tour le microscope, l’optique adaptative, l’imagerie en milieu diffusant, l’holographie et la microscopie de fluorescence. Il présente de manière accessible les concepts physiques en jeu et montre que nous avons aujourd’hui des outils permettant de répondre à des questions fascinantes : comment fonctionne notre cerveau, neurone par neurone ? Peut-on détecter précocement un cancer ou des maladies de la rétine ?</blockquote><blockquote>Mention spéciale du jury du Prix Roberval 2024 dans la catégorie 'Enseignement Supérieur' <img src="https://laboutique.edpsciences.fr/system/store_assets/data/008/363/772/original/sticker_coup_de_coeur_JURY_%28002%29.png?1733905864" style="width: 125.486px; height: 125.486px;"></blockquote> Notre oeil est un outil exceptionnel qui reste néanmoins limité en résolution et en sensibilité. Même avec les appareils traditionnels de l’optique, comme les microscopes, il n’est pas possible de pénétrer les environnements complexes. Les nouveaux instruments de la physique, en particulier les lasers, ont permis des avancées qui étaient jusqu’à récemment du domaine de la science-fiction : voir en profondeur dans un tissu biologique, discerner une molécule unique, visualiser le fonctionnement interne d’une cellule ou encore voir un neurone en action. Quelles techniques, quels outils ont permis ces avancées ?Le livre décrit tour à tour le microscope, l’optique adaptative, l’imagerie en milieu diffusant, l’holographie et la microscopie de fluorescence. Il présente de manière accessible les concepts physiques en jeu et montre que nous avons aujourd’hui des outils permettant de répondre à des questions fascinantes : comment fonctionne notre cerveau, neurone par neurone ? Peut-on détecter précocement un cancer ou des maladies de la rétine ? 02 00 Le livre décrit tour à tour le microscope, l’optique adaptative, l’imagerie en milieu diffusant, l’holographie et la microscopie de fluorescence. Il présente de manière accessible les concepts physiques en jeu et montre que nous avons aujourd’hui des outils permettant de répondre à des questions fascinantes : comment fonctionne notre cerveau, neurone par neurone ? Peut-on détecter précocement un cancer ou des maladies de la rétine ? 04 00 Introduction générale vii<o:p></o:p>1 Imager, résoudre et agrandir : le microscope 1<o:p></o:p>1.1 Une vision unifiée des systèmes d’imagerie optique . . .. . . . . . . . 1<o:p></o:p>1.1.1 Introduction : du microscope au lecteur DVD . . . . .. . . . 1<o:p></o:p>1.1.2 Microscopie plein champ et à balayage . . . . . . . .. . . . . 3<o:p></o:p>1.1.3 Réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4<o:p></o:p>1.2 Le microscope à balayage . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.1 Formation de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.2 La résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 7<o:p></o:p>1.2.3 Le grandissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 10<o:p></o:p>1.3 Les nouvelles microscopies optiques . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10<o:p></o:p>1.3.1 Amélioration du contraste . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 11<o:p></o:p>1.3.2 Amélioration de la résolution . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 14<o:p></o:p>1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 16<o:p></o:p>2 Optique adaptative 19<o:p></o:p>2.1 Formation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.1 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.2 La diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 22<o:p></o:p>2.2 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.1 Aberrations optiques . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.2 Milieux non homogènes aberrants . . . . . . . . . . .. . . . . 26<o:p></o:p>2.2.3 Qualité des images . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3 Optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3.1 Correction de surface d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 29<o:p></o:p>2.3.2 Mesure de surface d’onde . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 31<o:p></o:p>2.3.3 Etoile guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 33<o:p></o:p>2.4 Optique adaptative en astronomie . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 34<o:p></o:p>2.5 Optique adaptative pour les applications biomédicales .. . . . . . . . 38<o:p></o:p>2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 41<o:p></o:p>3 Imager en milieux diffusants 45<o:p></o:p>3.1 Milieux diffusants . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.1 Lumière balistique, diffusion simple et multiple . . .. . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.2 Ordre de grandeur en biologie . . . . . . . . . . . .. . . . . . 463.1.3 Imagerie balistique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 47<o:p></o:p>3.2 Imager avec la lumière diffuse . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 49<o:p></o:p>3.2.1 Le speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 50<o:p></o:p>3.2.2 Le contrôle de front d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 51<o:p></o:p>3.2.3 La conjugaison de phase . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 52<o:p></o:p>3.2.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 53<o:p></o:p>3.2.5 Matrice de transmission . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 55<o:p></o:p>3.2.6 Imager grâce au contrôle de front d’onde . . . . . . .. . . . . 57<o:p></o:p>4 Holographie 63<o:p></o:p>4.1 Introduction à l’holographie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.1 Tridimensionnalité ou stéréoscopie ? . . . . . . . . .. . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.2 Enregistrer ou restituer ? . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 66<o:p></o:p>4.1.3 Phase des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 67<o:p></o:p>4.1.4 Notion de cohérence . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 69<o:p></o:p>4.2 Principe de l’holographie . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.1 L’holographie : enregistrement . . . . . . . . . . . .. . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.2 Restitution analogique de l’hologramme . . . . . . . .. . . . . 72<o:p></o:p>4.3 Holographie numérique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.1 Configuration expérimentales . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.2 Reconstruction numérique . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 74<o:p></o:p>4.4 Applications en microscopie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.1 Refocalisation numérique et suivi d’objets. . . . . .. . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.2 Imagerie holographique doppler . . . . . . . . . . . .. . . . . 78<o:p></o:p>4.4.3 Imagerie de phase quantitative . . . . . . . . . . . .. . . . . . 80<o:p></o:p>4.5 La projection holographique en microscopie et enbiologie . . . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.1 Hologrammes de synthèse . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.2 Projection dynamique de motifs optiques . . . . . . .. . . . . 87<o:p></o:p>4.5.3 Applications optogénétiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 88<o:p></o:p>4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 96<o:p></o:p>5 Microscopie de Fluorescence 99<o:p></o:p>5.1 Fluorescence et marqueurs fluorescents pour la biologie. . . . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.1 Qu’est-ce que la fluorescence ? . . . . . . . . . . .. . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.2 Les protéines fluorescentes et leurs applications enbiologie . . 101<o:p></o:p>5.2 Microscopie plein champ conventionnelle . . . . . . . .. . . . . . . . . 104<o:p></o:p>5.2.1 Architecture et grandissement du microscope pleinchamp . . 105<o:p></o:p>5.2.2 Définition de la PSF et résolution latérale . . . . .. . . . . . . 106<o:p></o:p>5.2.3 Forme de la PSF dans les 3 dimensions spatiales . . .. . . . . 107<o:p></o:p>5.2.4 Formation des images . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 108<o:p></o:p>5.2.5 Le problème du fond . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 111<o:p></o:p>5.2.6 Une application de la microscopie plein champ en neurosciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 112<o:p></o:p>5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3 Microscopies à balayage laser . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.1 Microscopie confocale . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.2 Microscopie à deux photons . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 1195.4 Techniques de microscopie rapides à sectionnement optique . . . . . . 123<o:p></o:p>5.4.1 Microscopie confocale à disque rotatif . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.4.2 Microscopie à feuille de lumière . . . . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 129<o:p></o:p>Conclusion 133<o:p></o:p>Remerciements 135<o:p></o:p>Les auteurs 137<o:p></o:p>Sponsors 139<o:p></o:p> Introduction générale vii<o:p></o:p>1 Imager, résoudre et agrandir : le microscope 1<o:p></o:p>1.1 Une vision unifiée des systèmes d’imagerie optique . . .. . . . . . . . 1<o:p></o:p>1.1.1 Introduction : du microscope au lecteur DVD . . . . .. . . . 1<o:p></o:p>1.1.2 Microscopie plein champ et à balayage . . . . . . . .. . . . . 3<o:p></o:p>1.1.3 Réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4<o:p></o:p>1.2 Le microscope à balayage . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.1 Formation de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 5<o:p></o:p>1.2.2 La résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 7<o:p></o:p>1.2.3 Le grandissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 10<o:p></o:p>1.3 Les nouvelles microscopies optiques . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10<o:p></o:p>1.3.1 Amélioration du contraste . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 11<o:p></o:p>1.3.2 Amélioration de la résolution . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 14<o:p></o:p>1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 16<o:p></o:p>2 Optique adaptative 19<o:p></o:p>2.1 Formation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.1 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1.2 La diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 22<o:p></o:p>2.2 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.1 Aberrations optiques . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.2 Milieux non homogènes aberrants . . . . . . . . . . .. . . . . 26<o:p></o:p>2.2.3 Qualité des images . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3 Optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 27<o:p></o:p>2.3.1 Correction de surface d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 29<o:p></o:p>2.3.2 Mesure de surface d’onde . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 31<o:p></o:p>2.3.3 Etoile guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 33<o:p></o:p>2.4 Optique adaptative en astronomie . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 34<o:p></o:p>2.5 Optique adaptative pour les applications biomédicales .. . . . . . . . 38<o:p></o:p>2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 41<o:p></o:p>3 Imager en milieux diffusants 45<o:p></o:p>3.1 Milieux diffusants . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.1 Lumière balistique, diffusion simple et multiple . . .. . . . . . 45<o:p></o:p>3.1.2 Ordre de grandeur en biologie . . . . . . . . . . . .. . . . . . 46<o:p></o:p>iv Imager l’invisible avec la lumière<o:p></o:p>3.1.3 Imagerie balistique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 47<o:p></o:p>3.2 Imager avec la lumière diffuse . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 49<o:p></o:p>3.2.1 Le speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 50<o:p></o:p>3.2.2 Le contrôle de front d’onde . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 51<o:p></o:p>3.2.3 La conjugaison de phase . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 52<o:p></o:p>3.2.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 53<o:p></o:p>3.2.5 Matrice de transmission . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 55<o:p></o:p>3.2.6 Imager grâce au contrôle de front d’onde . . . . . . .. . . . . 57<o:p></o:p>4 Holographie 63<o:p></o:p>4.1 Introduction à l’holographie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.1 Tridimensionnalité ou stéréoscopie ? . . . . . . . . .. . . . . . 64<o:p></o:p>4.1.2 Enregistrer ou restituer ? . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 66<o:p></o:p>4.1.3 Phase des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 67<o:p></o:p>4.1.4 Notion de cohérence . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 69<o:p></o:p>4.2 Principe de l’holographie . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.1 L’holographie : enregistrement . . . . . . . . . . . .. . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.2 Restitution analogique de l’hologramme . . . . . . . .. . . . . 72<o:p></o:p>4.3 Holographie numérique . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.1 Configuration expérimentales . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 74<o:p></o:p>4.3.2 Reconstruction numérique . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 74<o:p></o:p>4.4 Applications en microscopie . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.1 Refocalisation numérique et suivi d’objets. . . . . .. . . . . . 77<o:p></o:p>4.4.2 Imagerie holographique doppler . . . . . . . . . . . .. . . . . 78<o:p></o:p>4.4.3 Imagerie de phase quantitative . . . . . . . . . . . .. . . . . . 80<o:p></o:p>4.5 La projection holographique en microscopie et enbiologie . . . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.1 Hologrammes de synthèse . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 87<o:p></o:p>4.5.2 Projection dynamique de motifs optiques . . . . . . .. . . . . 87<o:p></o:p>4.5.3 Applications optogénétiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 88<o:p></o:p>4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 96<o:p></o:p>5 Microscopie de Fluorescence 99<o:p></o:p>5.1 Fluorescence et marqueurs fluorescents pour la biologie. . . . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.1 Qu’est-ce que la fluorescence ? . . . . . . . . . . .. . . . . . . 100<o:p></o:p>5.1.2 Les protéines fluorescentes et leurs applications enbiologie . . 101<o:p></o:p>5.2 Microscopie plein champ conventionnelle . . . . . . . .. . . . . . . . . 104<o:p></o:p>5.2.1 Architecture et grandissement du microscope pleinchamp . . 105<o:p></o:p>5.2.2 Définition de la PSF et résolution latérale . . . . .. . . . . . . 106<o:p></o:p>5.2.3 Forme de la PSF dans les 3 dimensions spatiales . . .. . . . . 107<o:p></o:p>5.2.4 Formation des images . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 108<o:p></o:p>5.2.5 Le problème du fond . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 111<o:p></o:p>5.2.6 Une application de la microscopie plein champ en<o:p></o:p>neurosciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 112<o:p></o:p>5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3 Microscopies à balayage laser . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.1 Microscopie confocale . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.3.2 Microscopie à deux photons . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 119<o:p></o:p>Table des matières v<o:p></o:p>5.4 Techniques de microscopie rapides à sectionnementoptique . . . . . . 123<o:p></o:p>5.4.1 Microscopie confocale à disque rotatif . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.4.2 Microscopie à feuille de lumière . . . . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 129<o:p></o:p>Conclusion 133<o:p></o:p>Remerciements 135<o:p></o:p>Les auteurs 137<o:p></o:p>Sponsors 139<o:p></o:p> 03 00 01 INSERM LE MAGAZINE Imager l’invisible avec la lumière https://laboutique.edpsciences.fr/review/322 01 20230403 03 00 02 Back To Science Parution de ‘Imager l’invisible avec la lumière – Comment l’optique moderne révolutionne l’imagerie du vivant’ https://backtoscience.com/index.php/2023/01/03/parution-de-imager-linvisible-avec-la-lumiere/ 01 20230103 21 00 06 01 https://laboutique.edpsciences.fr/produit/1309/9782759826551/imager-l-invisible-avec-la-lumiere 01 00 03 02 https://laboutique.edpsciences.fr/system/product_pictures/data/009/982/829/original/9782759826544-Imager-invisible_couv-sofedis.jpg 17 14 20240913T173310+0200 15 00 03 02 https://laboutique.edpsciences.fr/system/product_pictures/data/009/982/830/original/9782759826544-Imager-invisible_THUMBNAIL.jpg 17 14 20240930T085110+0200 01 P1 EDP Sciences 01 01 P1 EDP Sciences 17 avenue du Hoggar - PA de Courtaboeuf - 91944 Les Ulis cedex A http://publications.edpsciences.org/ 04 11 00 20230112 01 00 20230112 19 00 20230112 2026 06 3052868830012 01 WORLD 13 03 9782759826544 15 9782759826544 WORLD 08 EDP Sciences 04 01 00 20230112 03 01 D1 EDP Sciences 20 04 05 01 02 1 00 14.99 01 5.50 0.78 EUR 01 04 06 01 02 1 00 52.99 01 5.50 0.78 EUR 01 04 06 01 02 1 00 58.99 01 5.50 3.08 USD 01