Description du sujet de thèse

La thèse s'inscrit dans une collaboration entre le Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (Lesia) et l'Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (Ibens).
L'équipe de l'IBENS cherche à comprendre comment le système nerveux assure les fonctions cognitives et contrôle le comportement animal en enregistrant par des méthodes optiques l'activité simultanée de grandes populations de neurones, voire du cerveau entier pour les larves du poisson zèbre qui est un excellent modèle vertébré en neurobiologie. Le suivi de larges populations neuronales avec une résolution cellulaire et une bonne résolution temporelle reste un défi technique.

L'équipe du LESIA travaille depuis des années à la mise au point de systèmes d'optique adaptative innovants pour les grands télescopes au sol comme le Very Large Telescope (8 mètres de diamètre), l'Extremely Large Telescope (39 mètres de diamètre) ou l'imagerie biologique. Des solutions matérielles et logicielles développées en optique adaptative pour l'astronomie, et qui ont fait leur preuve dans ce domaine, devraient pouvoir s'adapter à la microscopie en boucle fermée à une fréquence compatible avec les contraintes expérimentales (photo-blanchiment des sondes, passage à l'animal éveillé).

Le projet de thèse se décline en trois étapes :
1. Caractériser les aberrations optiques et étudier la diffusion introduites par des échantillons comme des tranches de cerveau de souris clarifiés, ou des larves de poissons zèbres. Étudier la dépendance dans le champ, le régime de transition entre aberrations et diffusion, etc. Les mesures seront effectuées avec des techniques et une instrumentation adaptées aux caractéristiques des tissus biologiques.
2. Définir le meilleur analyseur de surface d'onde et la stratégie d'utilisation (où mesurer les aberrations, à quelle fréquence temporelle, etc) pour la microscopie de fluorescence à nappe de lumière.
3. Concevoir en laboratoire un dispositif d'optique adaptative optimisé pour la microscopie de fluorescence à nappe de lumière.

Le déroulement de la thèse ne sera pas aussi linéaire. Il y aura des allers-retours entre modèle numérique et démonstration en laboratoire. Le dispositif d'imagerie sera d'abord un simple imageur plein champ en épifluorescence permettant l'imagerie d'un objet fluorescent 2D auquel s'ajouteront des objets aberrants ou diffusants. Cela permettra d'avoir un sectionnement optique inhérent à l'échantillon, de mesurer et corriger les aberrations à l'émission, d'avoir une certaine souplesse pour faire varier des paramètres d'intérêt (niveau d'aberrations, longueur d'onde, cohérence de la source).

Activités
Le thésitif définira et mènera les études par simulations numériques et démonstrations en laboratoire. Ses travaux se baseront sur un formalisme existant de la propagation de la lumière dans des milieux diffusant d'indice optique et d'absorption inhomogènes.
Les résultats seront publiés dans des revues à comité de lecture et présentés dans des conférences internationales.

Le thésitif réalisera ainsi des études paramétriques en laboratoire comme en simulation numérique. Puis, le système évoluera vers un microscope à nappe de lumière pour observer des objets à 3D (tranches de cerveau clarifiées, larves de poisson zèbre) avec une mesure d'optique adaptative à l'émission et une correction à l'excitation et à l'émission.
Le système final pourra équiper des microscopes utilisés à l'Ibens pour les recherches en neuroscience.

Compétences
+ optique géométrique et optique physique, en particulier en microscopie de fluorescence à nappe de lumière et en optique adaptative.
+ ingénierie système

Contexte de travail

La thèse se déroulera principalement sur le site de Meudon de l'Observatoire de Paris-PSL au sein de l'équipe d'imagerie biologique du Lesia. Cette équipe est constituée d'un enseignant-chercheur, d'un astronome et de deux ingénieurs. Cette équipe, comme le thésitif, fait partie du pôle Haute résolution angulaire en astrophysique (HRAA) qui regroupe une cinquantaine de personnes. Le thésitif sera invité aux séminaires du pôle HRAA ainsi qu'aux journées des thèses du laboratoire.

Le thésitif intéragira au jour le jour avec une des ingénieurs de l'équipe biologique et il aura une réunion hebdomadaire avec le directeur de thèse du Lesia. Dès que le travail le nécessitera, des réunions plus larges, incluant toute l'équipe d'imagerie biologique et les collaborateurs de l'Ibens (2 chercheurs), seront organisées.
Le thésitif, accompagné si besoin par l'équipe du Lesia, se rendra régulièrement à l'Ibens pour s'assurer que les choix instrumentaux sont cohérents avec les objectifs scientifiques des équipes de biologistes.

Le thésitif sera employé par le CNRS pendant 3 ans et inscrit à l'École Doctorale 127 d'astronomie et d'astrophysique.

Contraintes et risques

Aucune