spectroscopie biomédicale

Le chef d'orchestre lève sa baguette, et l'orchestre ne produit pas seulement un son, mais une partition complexe : chaque note résonne à son moment, à sa hauteur, avec le bon volume. La lumière aussi peut être une partition, si l'on contrôle son spectre et son temps. Auparavant, cela nécessitait des installations encombrantes qui ne pouvaient pas être reconfigurées après assemblage.

Une fine coupe d'eucalyptus repose sous l'objectif du microscope, et la lumière blanche, après avoir traversé deux filtres polarisants, transforme le bois en une mosaïque de taches pourpres, jaunes et bleues.

Un cartographe reçoit une feuille avec les distances entre des centaines d'îles anonymes. Aucune île n'est nommée, mais les distances se répètent, s'assemblent en triangles et en quadrilatères. Grâce à ces répétitions, le cartographe reconstitue la carte de l'archipel, sans savoir comment chaque île s'appelle.

Dans une pièce sombre, un rayon de soleil traverse un trou d'épingle dans du carton, et une image inversée de la rue apparaît sur le mur. La chambre sténopé n'a pas besoin de lentilles : le minuscule orifice sélectionne lui-même les rayons provenant de chaque point de la scène.

La lumière qui naît lorsqu'un électron rapide pénètre dans un matériau est généralement considérée comme identique dans toutes les directions. Mais dans les cristaux où les propriétés optiques dépendent de l'orientation, ce n'est pas le cas. Passez la main sur du velours : dans un sens, il est lisse et brillant ; dans l'autre, il est sombre et rugueux.

Le médecin regarde l'écran et voit deux images de la même zone du corps. L'une montre où le sang est riche en oxygène, l'autre à quelle vitesse il circule dans les vaisseaux les plus fins. Autrefois, ces images étaient obtenues avec des appareils différents, et les superposer était difficile. Aujourd'hui, des ingénieurs ont conçu un dispositif qui réalise les deux prises de vue simultanément.

Une goutte de sang prélevée au bout du doigt tombe sur la membrane blanche de la cartouche. Vingt minutes plus tard, le téléphone affiche : maladie de Lyme présente ou non. Fini le tube à essai, la centrifugeuse et l'attente de plusieurs jours. Habituellement, pour ce type d'analyse, on centrifuge d'abord le sang afin d'en séparer la partie liquide — le plasma.

La lumière qui traverse un verre d'eau trouble s'affaiblit : une partie est absorbée. C'est ainsi que fonctionnent de nombreux instruments d'analyse de liquides : ils mesurent la perte de lumière et en déduisent la composition. Mais si le liquide est hétérogène, comme une soupe avec des morceaux, une seule valeur ne suffit pas : il faut savoir où l'absorption est la plus forte.

Un paquet de cartes à jouer repose, immobile. On peut glisser un doigt sous la carte du dessus et la faire glisser — c'est une intervention brutale. On peut aussi souffler de façon que tout le paquet se déforme un instant sans que les cartes s'éparpillent. C'est à peu près ainsi que la lumière, dans la nouvelle expérience, réorganise le cristal de séléniure d'étain (SnSe).

Un médecin passe des années à apprendre à reconnaître les maladies sur les images du cerveau. D'abord, il repère parfaitement les signes du vieillissement, puis il maîtrise les tumeurs – et soudain, il se met à confondre ce qu'il savait auparavant. C'est à peu près ce qui arrive à de nombreux réseaux de neurones : les nouvelles connaissances effacent les anciennes.

Une cloche cachée dans un épais coffret peut être mise à sonner sans ouvrir le couvercle. Il suffit d'envoyer une onde sonore à travers les parois — et le battant se met à vibrer.

La radiothérapie est un tir ciblé sur la tumeur, mais chaque tir doit être réglé au millimètre et à la fraction de seconde près. Le problème, c'est que les dosimètres existants sont soit encombrants, soit ils perturbent eux-mêmes le faisceau, soit ils nécessitent des pauses pour la lecture.

La caméra à pixel unique évoque un artiste qui peint à travers un pochoir percé de nombreux trous. Chaque prise de vue ne laisse passer qu'une partie du flux lumineux, puis l'ordinateur assemble ces fragments pour reconstituer une image complète. Autrefois, l'ordre des masques était immuable, comme si l'artiste utilisait toujours le même pochoir sans jamais regarder son sujet.

Les images médicales sont des cartes de densité des tissus. La luminosité de chaque point indique ce qui se trouve à cet endroit, un peu comme la photométrie mesure l'intensité de la lumière. Mais les algorithmes habituels analysent les points individuellement, ce qui donne des contours d'organes irréguliers.

Les scanners ne produisent pas de clichés prêts à l'emploi. Ils collectent une multitude d'« ombres » — des projections de l'intérieur du corps, obtenues sous différents angles ou à l'aide de différents signaux — puis reconstruisent mathématiquement une image volumétrique.

Chaque annihilation de positon ressemble à la naissance d'un couple de danseurs liés par un fil invisible de polarisation. Les deux rayons gamma s'éloignent, mais leurs états restent enchevêtrés : mesurer l'un détermine instantanément l'autre — comme si le partenaire ressentait chaque mouvement à n'importe quelle distance.

Un photographe photographie un coureur avec une longue exposition et obtient une silhouette floue. C'est à peu près ainsi qu'un IRM classique « voit » les organes en mouvement : le cœur se contracte, les poumons respirent, et l'image devient floue. Pour éviter cela, on demande au patient de rester immobile et de retenir sa respiration.

Quand il faut observer l'intérieur du cerveau, on allonge généralement le patient dans le tube exigu d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique, ou on l'expose aux rayons X d'un scanner. Ces deux méthodes sont coûteuses, encombrantes et pas toujours disponibles.

Une goutte de sang prélevée dans une veine est soumise à trois faisceaux lumineux, et chacun révèle ses propres indices. Le faisceau infrarouge fait vibrer les molécules — ces vibrations indiquent la quantité de sucres et de lipides dans l'échantillon.

Une brève impulsion laser frappe une molécule d'iode, et ses atomes se mettent à osciller, comme une bille au bout d'un ressort. Les scientifiques suivent ces oscillations à l'aide d'une seconde impulsion à large bande, qui enregistre le spectre à différents instants.

La flamme d'une bougie vacille sous un courant d'air, mais ne s'éteint pas : la langue de feu ne fait que changer de forme un instant puis revient. C'est à peu près ce que font les skyrmions optiques — de minuscules tourbillons dans le champ d'un faisceau, rappelant des remous en spirale.

Un faisceau laser traverse la cellule, et celle-ci répond au contact, comme une corde tendue que l'on pince. La fréquence de cette « résonance » révèle si le matériau est rigide ou souple. C'est le principe de la microscopie Brillouin, nommée d'après le physicien français Léon Brillouin.

Le doigt est un capteur vivant : sous la peau, les artères pulsent au rythme du cœur. Les tensiomètres classiques compriment le bras et donnent une seule valeur, mais ici, une bague dotée de huit électrodes fait passer un faible courant et, selon la façon dont il traverse les tissus, construit une image du flux sanguin.

Dans chaque cellule se trouvent de minuscules centrales énergétiques : les mitochondries. Elles brûlent les nutriments et stockent l'énergie. Deux molécules auxiliaires, le NADH et le FAD, supervisent ce processus. Auparavant, on les repérait grâce à une faible luminescence, mais celle-ci était ténue et les signaux des différentes molécules se mélangeaient.

Le batteur se tait, mais grâce aux pauses, on peut savoir où il n'a pas frappé. De même, des physiciens ont construit une image en captant non pas la lumière, mais les moments d'obscurité totale. L'image est apparue à partir du silence. Dans l'expérience, on a dirigé la lumière d'une lampe ordinaire sur l'objet.

À l'intérieur de chaque cellule, il existe un réseau de fins tubes, les microtubules. Ils jouent à la fois le rôle d'échafaudage et de rails : ils maintiennent la forme de la cellule et transportent des cargaisons. Ces tubes sont assemblés à partir de la protéine tubuline et émettent naturellement une faible fluorescence sous ultraviolets.

Les atomes d'un faisceau se déplacent à différentes vitesses, comme des coureurs sur un stade. Une impulsion laser ordinaire ne pousse que ceux qui courent à une seule vitesse, tandis que la nouvelle agit comme un entraîneur qui donne des ordres à tout le groupe à la fois. Cette approche implique davantage d'atomes dans la mesure.

L'anatomopathologiste colore une coupe de tissu avec de l'hématoxyline et de l'éosine — les cellules se teintent en bleu et en rose, et au microscope on voit leur forme et leur disposition. Mais quels gènes sont actifs dans chaque cellule, on ne peut pas le lire sur une telle image.

Un grain de beauté sur la peau ressemble à une mosaïque de morceaux colorés. Chaque morceau est une petite zone de l'image où la couleur et la texture ne changent presque pas. On appelle ces morceaux des superpixels. Si on les relie par des lignes, on obtient un réseau semblable à un plan de métro : les stations sont les morceaux, et les lignes sont les connexions entre eux.

Un microscope optique classique bute sur une limite : il ne distingue pas deux points s'ils sont plus proches que 200 nanomètres, soit environ l'épaisseur d'une bulle de savon divisée par cent.

La lumière infrarouge est invisible à l'œil, mais elle est partout : de la télécommande du téléviseur à la chaleur du corps humain. Pour la capturer, il faut des matériaux spéciaux. Les détecteurs classiques sont encombrants, rigides et difficiles à accorder sur la longueur d'onde souhaitée.

Une boîte quantique, c'est comme une lampe unique qui s'allume et s'éteint sur commande d'un laser, émettant exactement un photon à la fois. Mais cette lumière a une particularité : les photons ne s'entendent pas entre eux, ils volent indépendamment, comme des gouttes aléatoires d'un robinet.

Une protéine dans une cellule, c'est comme un ressort étroitement enroulé. Sa forme détermine ce qu'elle fait, mais voir cette forme sur une molécule unique sans la déranger était presque impossible. Le nouveau microscope procède autrement : il envoie une brève impulsion laser qui chauffe légèrement la molécule.

Lors du traitement du cancer de la prostate, les médecins voient souvent non pas une seule tumeur, mais de multiples foyers dans les os et les ganglions lymphatiques. Chacun de ces foyers peut réagir différemment à la thérapie : l'un diminue, un autre reste stable, un troisième grossit.

À l'hôpital, le sang prélevé au bout du doigt part généralement au laboratoire, et le résultat arrive le lendemain. La nouvelle méthode promet de réduire ce délai à quelques minutes.

L'IRM, c'est un peu comme un appareil photo qui photographie l'intérieur du corps, mais très lentement. Le patient doit rester immobile plusieurs minutes, pendant que le cœur, lui, continue de battre. Si la personne bouge ou si le rythme s'emballe, l'image devient floue. Les médecins doivent alors recommencer l'examen, perdre du temps et s'énerver.

Les photons intriqués sont deux messagers qui marchent au pas. Dans un matériau, leur synchronisation est perturbée. La nature de la perturbation révèle ce qu'ils ont rencontré : un embranchement qui a séparé leurs routes, ou un manège magnétique qui a tordu leur foulée. C'est ainsi que fonctionne la méthode BELS.

Pour ne pas perdre de vue un footballeur rapide, un drone n'a pas besoin d'une balise lumineuse : il suffit de reconnaître sa silhouette. De la même manière, un réseau de neurones suit désormais les microbes : l'algorithme analyse une image ordinaire de microscope et trouve instantanément la bactérie dans une goutte d'eau.

Un doigt est éclairé par un faisceau laser, et une partie de la lumière revient après avoir traversé les tissus. C'est le principe de la spectroscopie Raman : les molécules de l'os et de la peau modifient différemment la couleur du faisceau réfléchi, laissant leur empreinte chimique.

Frappez un diapason : il émet une note pure. Mais si le diapason tremble et que des gens parlent autour, le son n'est plus parfait. Il en va de même pour les molécules : chacune absorbe une couleur de lumière spécifique, mais à cause de ses propres vibrations et des bousculades de ses voisins, cette couleur s'élargit légèrement.