tomographie par émission de positons

La lumière qui frappe la matière se disperse ou la chauffe généralement. Mais si les photons sont très nombreux et très énergétiques, deux quanta de lumière peuvent entrer en collision et disparaître, laissant place à deux particules : un électron et son antiparticule, le positron. Ce processus, prédit dès 1934, n'a jamais pu être reproduit en laboratoire avec de vrais photons.

Le faisceau d'un microscope électronique voyage habituellement dans le vide, comme un coursier sur une autoroute déserte. Toute molécule d'air est pour lui une bosse qui le fait tressauter et perdre sa direction. C'est pourquoi, auparavant, pour examiner un échantillon, on le congelait, le séchait ou le recouvrait de métal, et on ne regardait toujours que sous vide.

Un supraconducteur est un matériau qui conduit le courant sans perte, comme l'eau qui s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Dans les supraconducteurs à base de cuivre, de minuscules ajouts d'oxygène agissent comme un bouton de volume : un peu plus, et le matériau devient supraconducteur ; un peu moins, et il cesse de l'être.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Une image obtenue avec une faible dose de rayons X ressemble à une vue à travers une vitre embuée : les contours sont là, mais les détails se noient dans un voile trouble. Les médecins ont besoin de ces clichés pendant la radiothérapie – pour viser précisément la tumeur et épargner les tissus sains.

Photographier une exoplanète autour d'une autre étoile, c'est comme essayer de distinguer un ver luisant devant un projecteur. L'atmosphère terrestre ne cesse de bouger, et dans un télescope, cela se traduit par des taches dansantes, les speckles.

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.

Distinguer le signal d'une paire de trous noirs supermassifs, c'est comme entendre les pas d'un danseur dans le fracas d'un ouragan. Quelque part dans l'espace, ces monstres tournent dans un tango gravitationnel lent, déformant l'espace-temps lui-même.

Le radiologue scrute les nuances de gris et de blanc à l'écran — des dizaines de coupes du corps où il faut repérer chaque tache suspecte. La segmentation manuelle d'un patient prend une demi-heure, et dans un grand hôpital, ils sont des centaines.

Dans une goutte de sang flottent des millions de molécules d'albumine, la principale protéine de transport. Son taux chute lors de maladies rénales ou hépatiques, d'où le besoin d'une mesure rapide et précise.

Le cœur perd parfois son rythme — comme un orchestre où les violons se mettent soudain à jouer chacun de leur côté. Dans ces cas, les cardiologues recherchent les zones « désaccordées » en lisant les signaux électriques du cœur, puis les cautérisent ponctuellement avec une sonde fine — un cathéter.

Depuis que Paul Dirac a prédit théoriquement l'antimatière, les physiciens cherchent les moindres différences entre les particules et leurs antiparticules.

Un appareil de radiographie à grilles ne prend pas une, mais trois photos d'un coup : un cliché classique, une carte des courbures invisibles du faisceau et une image des structures minuscules qui diffusent la lumière. Ensemble, elles aident à repérer, par exemple, l'emphysème ou la fibrose pulmonaire. Mais il y a un hic : pour séparer ces trois couches, il faut une astuce mathématique.

On goûte un smoothie aux fruits avec deux pailles différentes. L'une ne laisse passer que les gros morceaux, l'autre que le liquide. Pris séparément, les sensations sont trompeuses, mais ensemble, elles donnent la clé : tiens, on dirait de la banane, et là, de la fraise.

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Deux photons s'échappent d'un même point dans la poitrine d'un patient. Ce sont des jumeaux : si l'on modifie l'un, on connaît instantanément l'autre. Cette relation est appelée intrication quantique. Lors d'un examen TEP, ces paires naissent à l'intérieur du corps lorsque la substance radioactive injectée rencontre les électrons des tissus.

Lorsqu'un faisceau d'ions carbone pénètre dans le corps, il ne libère pas son énergie immédiatement, mais au bout de son trajet, comme un coureur qui donne tout sur la ligne d'arrivée. Les médecins doivent connaître ce point d'arrivée pour ne pas endommager les tissus sains. Mais comment voir à l'intérieur du corps sans incision ?

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.

Chercher un point lumineux unique dans un échantillon sombre, c'est un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin : le faisceau du microscope progresse ligne par ligne, gaspillant du temps et de la lumière. Les physiciens ont remplacé ce lent balayage par des motifs de lumière aléatoires.

Le scanner TEP capture des flashs de lumière qui se produisent lorsque le traceur radioactif injecté dans le corps rencontre les électrons des tissus. Habituellement, l'appareil se contente de noter où le flash se produit. Mais entre la naissance du traceur et le flash, il y a une pause — infime, de l'ordre de milliardièmes de seconde.

L'isotope radioactif terbium-149 agit comme une minuscule bombe à tête chercheuse : il se fixe sur les cellules cancéreuses et libère des particules alpha qui détruisent la tumeur de l'intérieur, en épargnant presque les tissus sains.

La démarche n'est pas qu'un moyen de se rendre d'un point A à un point B. Chaque pas, chaque balancement de bras, chaque inclinaison du buste est comme une signature que le corps laisse dans l'espace. Autrefois, les médecins remarquaient que la maladie modifiait la démarche, mais ils n'y voyaient qu'un symptôme d'un problème précis : si vous boitez, c'est que votre jambe vous fait mal.

La caméra qui repère les tumeurs fonctionne comme un appareil photo très sensible : elle capte la faible lueur émise par la substance accumulée dans les cellules malades. Dans les appareils classiques, la lumière naît dans un cristal, un morceau solide semblable à du verre.

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.

Le TEP/TDM, c'est comme une carte où les cellules cancéreuses brillent comme des points lumineux. Mais que faire si la carte est vide alors que la maladie se cache quelque part ?

Le faisceau d'ions carbone frappe la tumeur avec précision, comme un chirurgien qui ne verrait que la peau. À l'intérieur du corps, le faisceau s'arrête, et savoir où exactement était un mystère.

Un scanner TEP classique ressemble à un appareil photo avec un objectif étroit : pour photographier une personne entière, il faut le déplacer d'avant en arrière et prendre de nombreux clichés. Le nouveau tomographe IMAS est une caméra grand angle qui couvre d'un coup 71 centimètres du corps.

Le microscope à effet tunnel sonde une molécule avec une aiguille très fine et en dessine le relief. Mais l'image est plane, alors que la molécule est volumineuse. Comment deviner la posture d'une personne à partir de son ombre sur un mur ?

La foudre frappe une fourmilière. Une partie des fourmis meurt sur le coup, une autre se fige, et quelques jours plus tard, les survivantes recommencent à creuser des galeries.

Une gouttelette de graisse à l'intérieur d'une cellule vivante ressemble à un flotteur dans une eau agitée. Elle ne se déplace pas en ligne droite, mais par à-coups : parfois elle s'immobilise, parfois elle accélère. Autrefois, on ne pouvait observer ces mouvements que dans un seul plan — comme si l'on regardait le flotteur d'en haut, sans savoir à quelle profondeur il se trouve.

Dans l'épilepsie, le médecin ajuste la dose du médicament presque à l'aveugle. Trop peu : les crises persistent. Trop : des effets secondaires apparaissent. En général, le sang du patient est envoyé au laboratoire et le résultat arrive un jour ou deux plus tard. Désormais, la même analyse peut être réalisée sur une minuscule puce en silicium.

Un morceau de céramique de la taille d'un ongle est comprimé dans un étau, et sa structure interne se modifie, comme de l'argile sous les doigts. À l'intérieur du matériau, de minuscules régions qui étaient auparavant orientées de manière aléatoire s'alignent en rangées régulières.

La chimiothérapie classique frappe tout le corps comme un bombardement en tapis : les cellules cancéreuses et les cellules saines en souffrent. Les scientifiques cherchent une arme plus précise — des molécules qui s'illuminent lorsqu'elles s'insèrent dans l'ADN d'une cellule cancéreuse, révélant ainsi sa localisation.

Une coupe épaisse de tissu observée au microscope ressemble à une vitre embuée : la lumière se diffuse et les détails se perdent. Habituellement, pour voir les cellules, on les colore ou on les découpe en tranches très fines. Mais il existe une méthode plus simple : rendre la coupe elle-même transparente, comme si l'on essuyait la vitre.

Dans le noyau d'un atome d'or se cache le futur médicament contre le cancer. Si l'on frappe une cible en or avec un rayon gamma d'une énergie d'environ 30 mégaélectronvolts, l'un des noyaux perd un proton et un neutron et se transforme en un isotope rare de platine — le platine-195m.

Les marqueurs radioactifs, c'est comme un livreur avec une balise : on l'injecte dans le corps, et il illumine l'organe voulu sur l'image. Mais ce livreur a des règles strictes : on ne peut pas l'envoyer souvent, il se fatigue vite et coûte cher. Les médecins rêvent depuis longtemps d'un moyen de voir un organe sans radiations.

Sur un vaste champ de lucioles qui scintillent une à une, et non en essaim, se penche un nouveau dispositif automatique. Il promène un laser sur l'échantillon, comme une lampe de poche, et enregistre en chaque point la couleur et l'intensité de la lueur.

Un pompier muni d'une caméra thermique voit le foyer d'un incendie à travers la fumée. Mais comment voir une source de radiation qui ne sent rien, ne brille pas et ne chauffe pas ? Les caméras gamma résolvent ce problème : elles captent les rayons gamma émis par les substances radioactives et superposent leur « trace » sur une photographie ordinaire.