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Une équipe interdisciplinaire de l’INRS utilise une technique d’imagerie novatrice pour mieux comprendre les déficits moteurs, un symptôme de la sclérose latérale amyotrophique (SLA).
Sous la direction du professeur Jinyang Liang, l’équipe de recherche a pu suivre en trois dimensions le comportement de fuite de modèles de poissons-zèbres normaux et malades. Leurs résultats ont récemment été publiés dans Optica, la revue phare de la Optical Society (OSA).
Le professeur Liang, expert en imagerie ultrarapide et en biophotonique, s’est associé au professeur Kessen Patten, spécialiste de la génétique et des maladies neurodégénératives, telles que la SLA, pour suivre la position des poissons-zèbres en temps réel et capturer le mouvement en 3D, en utilisant une technique spéciale appelée imagerie plénoptique à ouverture codée et à dispersion éliminée ou DECALF (dispersion-eliminated coded-aperture light field).
« C’est une caractéristique unique pour l’analyse du comportement animal du point de vue du neurodéveloppement. Autrement, on ne verrait le mouvement que dans un plan. Perdre une dimension peut être trompeur, particulièrement lorsqu’on étudie le mouvement. On peut penser que les poissons-zèbres malades se déplacent dans un sens, mais la réalité est tout autre », indique l’expert.
Leurs données ont révélé une asymétrie dans l’orientation des nageoires gauche et droite du poisson-zèbre en santé, indiquant des changements drastiques dans la direction au moment de sa fuite face à un stimulus. En revanche, le modèle malade du poisson-zèbre a montré des réponses lentes et une capacité de déplacement limitée en raison de déficits moteurs.
Les caméras plénoptiques conventionnelles capturent non seulement les informations en positions x et y, mais aussi l’angle d’où proviennent les rayons lumineux. De cette façon, on peut les retracer et focaliser sur l’endroit voulu. Selon le professeur Liang, cette technologie présente une limite importante : l’image peut avoir une haute résolution spatiale ou une haute résolution angulaire, mais pas les deux. La solution à ce problème est l’imagerie plénoptique à ouverture codée (coded-aperture light field – CALF), qui peut être obtenue à l’aide de dispositifs numériques à micromiroirs (digital micromirror devices – DMD).
Une conception innovante
Le DMD agit comme un élément de diffraction qui sépare la lumière blanche en un arc-en-ciel. Ainsi, un DMD seul ne peut être utilisé avec la lumière ambiante ou la lumière du soleil. « On pourrait toujours utiliser une lumière d’une seule longueur d’onde, mais cela entraîne d’autres inconvénients, car la couleur de la lumière peut interférer avec le système nerveux et perturber les expériences. Il a été démontré, par exemple, que la lumière rouge peut rendre les personnes agressives. La lumière bleue est également connue pour affecter l’humeur », explique le professeur Liang.
Pour contourner cette limitation, l’équipe de recherche a utilisé un second DMD pour annuler l’arc-en-ciel induit. « Nous sommes les premiers à utiliser ce concept pour gérer la dispersion des couleurs dans l’ensemble du spectre visible, ce qui nous permet d’utiliser la lumière blanche pour cette expérience », explique Jingdan Liu, chercheur postdoctoral à l’INRS et premier auteur de l’article.
« L’imagerie DECALF pourrait ouvrir une nouvelle voie pour la neuro-imagerie. Par exemple, nous pourrions utiliser ce système pour voir l’activité des neurones. À terme, nous pourrions suivre la lumière émise lorsqu’un neurone s’active pour savoir où il se trouve dans le cerveau et connaître sa connectivité. »
Jinyang Liang, expert en imagerie ultrarapide et en biophotonique
« Grâce aux travaux du professeur Liang, nous avons pu observer le comportement macroscopique des poissons-zèbres présentant des symptômes semblables à ceux de la SLA. Nous pourrions aller encore plus loin dans l’étude de cette maladie en examinant l’échelle microscopique. Grâce à cette approche d’imagerie innovante, nous pourrions apprendre ce qui se passe dans le système neuronal d’individus en santé ou malades, et ce, de manière non invasive », explique le professeur Patten.
« C’est le début d’une grande collaboration, ajoute le professeur Liang. Grâce à l’initiative d’Ana Tavares, ancienne directrice du Centre Énergie Matériaux Télécommunications, et de Claude Guertin, directeur du Centre Armand-Frappier Santé Biotechnologie, nous avons eu la chance de voir ce que font les chercheurs dans d’autres domaines et de discuter de projets interdisciplinaires comme celui-ci. »
À propos de l’étude
L’article « Coded-aperture broadband light field imaging using digital micromirror devices », de Jingdan Liu, Charlotte Zaouter, Xianglei Liu, Shunmoogum A. Patten et Jinyang Liang, a été publié dans le numéro de février 2021 de la revue Optica. Les chercheuses et les chercheurs ont reçu le soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI), du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT) et du Fonds de recherche du Québec – Santé (FRQS). Le professeur Kessen Patten remercie la Chaire philanthropique Anna Sforza Djoukhadjian sur la sclérose latérale amyotrophique pour son soutien.
