New sensorless wavefront sensing approach for two photon microscopy: application to in vivo imaging of the hippocampus

Nouvelle approche de mesure de front d'onde sans analyseur pour la microscopie à deux photons : application à l'imagerie in vivo de l'hippocampe

Joel Teixeira (1)

1 ONERA - The French Aerospace Lab [Châtillon]

Deep in vivo two photon microscopy is severely limited by optical aberrations. Adaptive optics is now a widely used technique to overcome this issue. It relies on one of several possible wavefront sensing techniques. The modal sensorless wavefront sensing approach, initially developed for two photon imaging by Débarre et al., has become a standard technique based on the maximization of an image quality metric such as the mean image intensity. However, this technique is influenced by the sample, which may induce a strong bias on the wavefront estimation, the so-called sample dependence. This PhD work aims at developing an improved modal sensorless approach that is not affected by sample dependence. It is part of a project of in vivo neuronal imaging of the mouse hippocampus which gathers three laboratories: INMED, Institut Fresnel and Onera. I first study the impact of aberrations and of the sample structure on the mean image intensity. A new analytical expression of the mean image intensity is given and makes explicit the interplay between the shape of the 3D PSF and the sample spatial distribution. Through numerical simulations I evaluate the metric sensitivity to aberrations for different samples structures. Secondly, I study the Standard Modal Sensorless (SMS) approach for different sample scenarios. I characterize the sample dependence issue induced by strong fluorescent structures located out-of-focus. I then show that the displacement-free technique fails at fully removing the sample dependence. This analysis leads to the development of our Axially-Locked Modal Sensorless approach (ALMS). This new approach solves the sample dependence by an automatic and controlled adjustment of the focusing depth to lock on bright sample features. Furthermore, the ALMS approach is based on an image quality metric specifically designed for this axial locking. The performance of this approach is numerically compared to the SMS approaches. Finally, the ALMS approach is demonstrated through ex vivo and in vivo experimental tests in the context of neuronal imaging of the hippocampus.

L’imagerie en profondeur in vivo à deux photons est sévèrement limitée par les aberrations optiques. L'optique adaptative est maintenant une technique largement utilisée pour résoudre ce problème. Elle repose sur une des nombreuses techniques possibles de mesure de front d'onde. L'approche modale sans analyseur (ou modal sensorless), développée initialement pour l’imagerie à deux photons par Débarre et coll., est devenue une technique standard fondée sur la maximisation d'une métrique de qualité d'image telle que l'intensité moyenne. Cependant, cette technique est influencée par la structure de l’échantillon, qui peut induire un biais fort dans l'estimation du front d’onde. Cet effet est connu sous le nom de dépendance en l'échantillon. Ce travail de doctorat vise à développer une approche modale sans analyseur améliorée qui n'est pas affectée par la dépendance en l'échantillon. Elle s’inscrit dans un projet d’imagerie neuronale in vivo de l’hippocampe de la souris, projet qui rassemble l’INMED, l’Institut Fresnel et l’Onera. J'étudie d’abord l'impact des aberrations et de la structure de l'échantillon sur l'intensité moyenne de l'image. Je donne une nouvelle expression analytique de l'intensité moyenne de l'image qui explicite l'interaction entre la Fonction d’Etalement de Point 3D et la distribution spatiale de l'échantillon. À partir de simulations numériques, j’évalue la sensibilité de la métrique aux aberrations pour différents types d’échantillons. J'étudie ensuite l'approche Standard Modal Sensorless (SMS). Je caractérise notamment le problème de la dépendance en l'échantillon induit par des structures très fluorescentes situées hors du plan de focalisation. Je montre aussi que l’amélioration de l’approche standard dite displacement-free n’élimine pas complètement cette limitation. Cette analyse aboutit au développement de notre approche nommée Axially-Locked Modal Sensorless (ALMS). Cette nouvelle approche résout la dépendance en l'échantillon par un réglage automatique et contrôlé de la focalisation afin de verrouiller celle-ci sur des motifs brillants de l'échantillon. En outre, l'approche ALMS se fonde également sur une métrique de qualité d'image spécialement conçue pour ce verrouillage axial. La performance de cette approche est numériquement comparée aux approches SMS. Enfin, l’approche ALMS est appliquée et validée, ex vivo et in vivo, dans le contexte de l’imagerie neuronale de l’hippocampe.

Mots clés: adaptive optics; sensorless wavefront sensing; two photon microscopy; sample dependence

Mots clés: optique adaptative; Mesure de front d’onde sans analyseur; microscopie à deux photons; dépendence en l’échantillon

Domaines: Optique [physics.optics]; Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Joel Teixeira. New sensorless wavefront sensing approach for two photon microscopy: application to in vivo imaging of the hippocampus. Optics [physics.optics]. Observatoire de Paris, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01693038⟩