La microscopie à éclairements structurés (SIM) permet théoriquement de doubler la résolution d’un microscope optique standard. Pour atteindre cette limite théorique, le SIM requière un contrôle très précis des illuminations, ce qui le rend coûteux et difficile à calibrer. Cette thèse cherche à simplifier drastiquement le principe du SIM en proposant une approche « aveugle » qui reconstruit une image de l’échantillon à partir d’éclairements aléatoires, i.e., très facile à générer. Cette stratégie permet en théorie l’imagerie super-résolue tout en réduisant fortement le coût de l’instrument. Nous avons étudié du point de vu théorique et algorithmique les performances et les limitations d’un estimateur joint de l’objet et des illuminations (estimateur Blind-SIM joint). Notamment, une reformulation mathématique du problème d’estimation jointe a été proposée qui permet d’analyser l'origine de la super-résolution mais également de proposer des nouvelles stratégies de mises en œuvre très rapides. Une étude empirique a mis en lumière l’impact de la parcimonie et du contenue fréquentielles des illuminations sur le niveau de super-résolution obtenu. L’estimateur joint étant asymptotiquement inconsistant, nous nous sommes également intéressé à définir un « critère de contraste » pour ce problème permettant d’estimer uniquement l’objet d’intérêt. Une étude mathématique de la capacité de super-résolution de ce type d'estimateur a été conduite. Enfin, on a observé un effet de super-résolution en condition réelles sur de nombreux objets, 2 ou 3D, fixe ou mobile, biologique ou non tel que des billes, des podosomes, de l’actine. / Structured illumination microscopy (SIM) allow theoretically to double the super-resolution of a standard optical microscope. However, to reach this theoretical limit, SIM require a precise knowledge of the illuminations, making it costly and difficult to calibrate. The aim of this thesis is to simplify the use of SIM by using a blind approach who allow the use of random illuminations to reconstruct a super-resolved image of the object. This strategy theoretically allow the super-resolution, while maintaining a low cost instrumentation. During those three years of thesis, we have studied theoretically and algorithmically the performances and the limitations of a joint estimator of the objet and the illuminations (joint Blind-SIM estimator). A mathematically equivalent reformulation of the joint problem was proposed allowing us to study the super-resolution origin and to propose a fast and parallelizable new approach. An empirical study has highlighted the impact of parsimony and of the frequency content of the illuminations on the reached super-resolution level. Because the joint estimator is asymptotically not consistent, we also studied a contrast criterion for our problem (typically a marginal likelihood), here only the object of interest is estimated. We have mathematically studied the super-resolution capacity of this kind of estimators. Finally, real data using random illuminations where acquired and we have observed a super-resolution effect using our algorithms on multiples real objects of different kind, 2 or 3D, fix or mobile, biological or not, like beads, podosomes, actines.

Ce travail de thèse concerne l'amélioration du pouvoir de résolution de la microscopie optique en champ lointain. Nous avons développé des techniques qui tirent profit de la relation liant le champ électromagnétique émis par un objet à l’éclairement utilisé. En utilisant plusieurs images obtenues pour différents éclairements, et à l’aide d’un algorithme d'inversion approprié, il est possible d'accéder à des fréquences spatiales de l'objet habituellement filtrées par le microscope.Ce concept est d’abord appliqué à une technique de microscopie cohérente : la tomographique optique de diffraction. Elle permet d’obtenir numériquement une carte quantitative de la permittivité diélectrique de l'objet, avec une résolution supérieure à celle d'un microscope classique, à partir de plusieurs hologrammes de l'échantillon. Dans ce cadre, nous montrons que le phénomène de diffusion multiple permet d’atteindre des résolutions encore plus spectaculaires s’il est pris en compte. Nous étudions ensuite la microscopie de fluorescence par éclairement structuré, que nous proposons d’améliorer de deux manières différentes. Dans la première, nous utilisons un algorithme d’inversion capable de retrouver simultanément la densité de fluorescence et les éclairements utilisés. Grâce à celui-ci, nous pouvons remplacer l’illumination périodique et contrôlée généralement utilisée, par des speckles aléatoires formés avec un montage remarquablement simple. Nous montrons expérimentalement l'efficacité de cette approche. Dans un second temps, nous proposons de remplacer la lamelle de verre sur laquelle est repose l’échantillon par un réseau diélectrique nanométrique. Celui-ci crée à sa surface une grille de lumière de période inférieure à la limite de diffraction, ce qui permet d’améliorer d’avantage la résolution finale de l’image reconstruite. Nous détaillons la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale de ce substrat nanostructuré. / This PhD work focuses on the resolution improvement of far-field optical microscopy. We have studied and developed different techniques that take advantage of the relationship between the sample, the illumination and the diffracted (or emitted) field, in order to increase final band-pass of the image beyond that imposed by the diffraction phenomenon. In In these approaches, several images of the same sample are recorded under different illuminations. An inversion algorithm in then used to reconstruct a super-resolved map of the sample from the set of measurements.This concept is first applied to coherent microscopy. In tomographic diffraction microscopy, many holograms of the same unstained sample are obtained under various incidences, then used to numerically reconstruct a quantitative map of permittivity of the sample. The resolution is usually better than that of classical wide-field microscopy. We show theoretically and experimentally that, far from being a drawback, the presence of multiple scattering within the sample can, if properly accounted for, lead a to an even better resolution.We then study structured illumination fluorescence microscopy. We present two different ways for improving this method. The first one takes advantage of an inversion algorithm, which is able to retrieve the fluorescence density without knowing the illumination patterns. This algorithm permits one to replace the periodic light pattern classically used in structured illumination microscopy by unknown random speckle patterns. The implementation of the technique is thus considerably simplified while the resolution improvement remains. In the second approach, we propose to replace the coverslip on which the sample usually lays, by a sub-lambda grating. The latter is used to form, in near field, a light grid with sub-diffraction period that is able to probe the finest details of the sample. The design, fabrication and optical characterization of this key structure are detailed.

La microscopie optique est une technique essentielle pour de nombreuses disciplines des sciences expérimentales qui nécessitent des résolutions sans cesse plus petites. Dans ce travail de thèse sont présentés plusieurs travaux pour l'amélioration de la résolution en microscopie de fluorescence et en microscopie tomographique par diffraction (MTD), une récente technique de microscopie de phase. Dans un premier temps, il est montré que déposer l'échantillon sur un miroir permet d'augmenter la résolution axiale en MTD et en microscopie confocale de fluorescence. En microscopie confocale, il faut pour cela mettre en forme le faisceau incident grâce à un modulateur spatial de lumière. En MTD, il suffit d'adapter le programme de reconstruction. La deuxième partie présente des algorithmes pour reconstruire des images haute résolution à partir de mesures en éclairement structuré avec de champs d'illumination inconnus, à la fois en microscopie de fluorescence (algorithme blind-SIM) et en MTD. En microscopie de fluorescence, ces algorithmes permettent de simplifier drastiquement les montages expérimentaux produisant l'éclairement structuré et en MTD, d'obtenir des images d'échantillons à fort indice. / Various fields of experimental science are constantly requiring smaller resolution for optical microscopy. In this thesis are presented several works for improving resolution in fluorescence microscopy and in Tomographic Diffraction Microscopy (TDM), an emerging phase microscopy technique. In the first part it is shown that one can improve the axial resolution in depositing the sample on a mirror. In confocal fluorescence microscopy, this is done by shaping the illumination beam with a Spatial Light Modulator. In TDM this is done by adapting the reconstruction method. Then algorithms are proposed for reconstructing high-resolution images from structured illumination measurements with unknown illumination fields, both in fluorescence imaging (blind-SIM algorithm) and in TDM. This allows a dramatical simplification of the experimental set-ups in fluorescence structured illumination and the image reconstruction of high optical index samples in TDM.

The conventional light microscope is an indispensable tool for many physical and life science applications, but is of limited usefulness for three-dimensional imaging due to its increasingly narrow depth of field at high magnifications. Focused regions may be obscured by defocused neighbors or noise from extraneous light sources and subsurface scattering. By rejecting light originating from outside the depth of focus it is possible to minimize these problems. When a contiguous series of such focused slices, or optical sections, are obtained along an axis of an extended object they may be combined to form a complete, focused three-dimensional surface image. Here, a variety of methods to obtain optical sections in a reflective setup are presented. The first employs an optical feedback loop through a spatial light modulator (SLM) to selectively illuminate focused regions. The SLM is a flexible electro-optical device that also allows (non-feedback) experiments of an intensity modulated light source resulting in illumination with a linear structure. This structured illumination microscopy is an established sectioning technique, which requires three frame captures per axial position. By developing a color grid and exploiting the red, green, and blue channels of a CCD camera, the three frames have been reduced to one. The speed increase comes at a cost and the limiting effects of chromatic aberration are discussed. Digital holography offers an alternative to axial scanning by allowing the surface to be reconstructed from a single exposure. Use of multiple wavelength illumination with this extended focus imaging is proposed and preliminary results are shown.

Le développement des senseurs protéiques et des outils optogénétiques au cours des dernières années a donné une place particulière à la microscopie pour l’étude des processus moléculaires in-vivo. L’équipe « Nano-optique et physiologie intégrée » développe des montages optiques originaux pour exploiter ces nouveaux outils chez le petit animal vivant en collaboration avec des neurobiologistes. Nous nous intéressons en particulier à l’organisation cellulaire et à l’activité des réseaux neuronaux impliqués dans la mémorisation associative olfactive de la drosophile. En amont, mon travail de thèse a été de mettre en place un microscope grand champ, basé sur le principe de la microscopie à HiLo, permettant l’acquisition rapide de sections optiques et la reconstruction tridimensionnelle de réseaux neuronaux. Après avoir prouvé la pertinence de l’approche choisie lorsqu’elle est associée aux outils génétiques permettant un marquage sélectif des neurones, le cœur de mon travail fut le développement d’un montage original permettant d’atteindre les objectifs de résolution spatiale et de vitesse. Son originalité se situe dans l’utilisation de la technologie des matrices de micro-miroirs (DLP) pour structurer l’illumination. Ce système de micro-miroirs pilotables peut moduler le faisceau d’une source LED haute puissance à haute cadence. Dans une seconde partie, j’ai caractérisé ce microscope et réalisé de premières expériences in-vivo avec les développements spécifiques nécessaires à ces expériences. En particulier, en utilisant un rapporteur protéique calcique fluorescent, GCamP3, j’ai montré que l’on pouvait suivre, dans des régions ciblées du cerveau, la réponse à des stimulations physiologiques à cadence vidéo. / In the last decades, optogenetic and protein reporter development have given a special place to optical microscopy for in-vivo investigation of biological molecular processes. Our team, “Nano-optics and integrated physiology”, develops optical set-ups to take advantage of these tools on small living animals, in collaboration with neurobiologists. We are particularly interested both in the cellular organization and neural activity involved in the olfactory memory formation in drosophila. Upstream to these investigations, my PhD research aimed at developing a new implementation for wide-field microscopy based on the HiLo concept. The new design took advantage of the micro-mirror array technology (DLP) to structure the illumination. This system can modulate the beam made by a high power LED illumination with high acquisition rates. I characterized this microscope and realized preliminary in-vivo experiments with specific developments made for physiological experiments under the microscope. Thus, I demonstrated both high spatial resolution imaging and a tenfold increase of speed with respect to confocal microscopy. I reached acquisition rates compatible with 3D monitoring of specific neural networks.

The mammalian hippo signalling pathway controls cell proliferation and apoptosis via transcriptional co-activators YAP and TAZ, and as such is a key regulator of organ and tissue growth. Multiple cellular components converge in this pathway, including the actin cytoskeleton, which is required for YAP/TAZ activity. The precise mechanism by which the mechanical actomyosin network regulates Hippo signalling, however, is unknown. Optical methods provide a non-invasive way to image and study the biomechanics of cells. In the past two decades, super-resolution fluorescence microscopy techniques that break the diffraction limit of light have come to the fore, enabling visualisation of intracellular detail at the nanoscale level. Optical trapping, on the other hand, allows precise control of micron-sized objects such as cells. Here, super resolution structured illumination microscopy (SIM) and elastic resonator interference stress microscopy (ERISM) were used to investigate a potential role for the FERM-domain protein FRMD6, or Willin, in the mechanical control of the Hippo pathway in a neuronal cell model. A double optical trap was also integrated with the Nikon-SIM with the aim of cell stretching. Willin expression was shown to modify the morphology, neuronal differentiation, actin cytoskeleton and forces of SH-SY5Y cells. Optical trapping from above the SIM objective, however, was demonstrated to be ineffective for manipulation of adherent cells. The results presented here indicate a function for Willin in the assembly of actin stress fibres that may be the result of an interaction with the Hippo pathway regulator AMOT. Further investigation, for example by direct cell stretching, is required to elucidate the exact role of Willin in the mechanical control of YAP/TAZ.

Ce travail de thèse visait à concevoir, assembler, optimiser et tester des modules d’illumination structurée à base d’éléments optiques diffractifs (EODs) pour une application de reconnaissance faciale sur appareils mobiles (smartphones, tablettes). L’intégration des modules dans des smartphones impliquait de fortes contraintes de miniaturisation, de consommation énergétique, de coût, et de sécurité laser. L’élément clé de chaque module était un EOD de Fourier à angle de diffraction supérieur à la limite du modèle scalaire paraxial de la diffraction permettant d’illuminer la surface d’un visage à une distance d’une portée de bras. Afin de faciliter la conception (relâchement des contraintes angulaires), la fabrication (minimisation de l’efficacité de diffraction à l’ordre 0) et la réplication des EODs, le premier axe de travail a consisté à concevoir et à fabriquer des dispositifs hybrides « agrandisseurs d’angles » combinant des EODs et des optiques divergentes conventionnelles. Le second volet portait sur la conception des EODs qui devait prendre en considération à la fois les paramètres des systèmes bas coût d’illumination et d’acquisition d’images utilisés, notamment pour contrôler la présence de granularité laser (« speckle ») sur la figure de diffraction souhaitée (contrôle imposé par les algorithmes de reconnaissance faciale et de détection de fraudes utilisés). Le savoir-faire acquis dans le domaine de l’illumination structurée générée par des EODs a été étendu et transposé à trois autres applications dans les domaines de la vibrométrie, de l’aviation civile et commerciale, et de l’aviation militaire. / This thesis work aimed to design, assemble, optimize and test structured illumination modules based on diffractive optical elements (DOEs) for facial recognition application on mobile devices (smartphones, tablets). The integration of modules into smartphones involved significant constraints in terms of miniaturization, energy consumption, cost and laser safety. The key element of each module was a Fourier DOE with a diffraction angle greater than the limit of the paraxial scalar diffraction model to illuminate the surface of a face at a distance of an arm reach. In order to facilitate the design (relaxation of angular constraints), manufacturing (minimization of the zero order diffraction efficiency) and replication of DOEs, the first axis of research consisted in designing and manufacturing hybrid "angle enlarger" devices combining DOEs and conventional divergent optics. The second part concerned the design of the DOEs, which had to take into account both the parameters of the low-cost illumination and image acquisition systems used, in particular to control the presence of laser speckle on the desired diffraction pattern (control imposed by the facial recognition and fraud detection algorithms used). The know-how acquired in the field of structured illumination generated by DOEs has been extended and transposed to three other applications in the fields of vibrometry, civil and commercial aviation, and military aviation.

Secretory processes underpin the emergence of cellular diversity in complex multicellular organisms. However, our understanding of the basic mechanisms controlling the different secretory and endosomal compartments involved remains surprisingly incomplete. During my DPhil I have studied a specialised epithelial cell type in the male Drosophila accessory glands, the secondary cell, which contains unusually large intracellular compartments that are accessible to detailed morphological study. I characterise the organisation, ultrastructure and molecular composition of this cell's secretory and endosomal compartments, and I employ specific Rab GTPases, conserved coordinators of membrane trafficking and identity, to define multiple compartmental subtypes. By developing super-resolution and time-lapse microscopy approaches in these cells, I show that numerous intraluminal vesicles (ILVs) are formed within Rab11-labelled secretory compartments and released into the accessory gland lumen as exosomes, the first clear demonstration in eukaryotic cells of exosome biogenesis within a non-late endosomal compartment. Biogenesis of these ILVs is dependent on evolutionarily conserved Endosomal Sorting Complexes Required for Transport (ESCRT) 0-III genes and involves loading of compartment-specific cargoes. Work by others, some in collaboration with me, has shown that these novel mechanisms are conserved in human cells. I show that dense-core granules, the structures employed to package proteins and other molecules destined for regulated secretion, form within large non-cored Rab6- positive compartments, in a process that seems to involve inputs from both the Golgi and recycling endosomal pathways. Further analysis has revealed roles for specific Rabs, for ILVs, and for the conserved fibrillar protein Mfas/TGFBI in different aspects of DCG formation. I also show that DCGs are not only secreted, but can also be degraded by fusion to acidic endosomal compartments. Remarkably, there is evidence that mammalian cells may employ all of these mechanisms and defects in these processes may be linked to diseases like cancer, diabetes and neurodegenerative disorders. Hence my work has established a new system to study complex secretory mechanisms, which can now be developed to model specific disease processes in the future. In summary, I have discovered several novel cell biological mechanisms controlling exosome biology, dense-core granule biogenesis, regulated secretion, and endolysosomal trafficking. Some of these already appear relevant to human health and disease, suggesting that the secondary cell system has considerable further potential for unravelling the fundamental processes underlying eukaryotic secretion in the future.

Optical microscopy is a cornerstone of biomedical research. Advances in optical techniques enable specific, high resolution, sterile, and biologically compatible imaging. In particular, beam shaping has been used to tailor microscopy techniques to enhance microscope performance. The aim of this Thesis is to investigate the use of novel beam shaping techniques in emerging optical microscopy methods, and to apply these methods in biomedicine. To overcome the challenges associated with high resolution imaging of large specimens, the use of Airy beams and related techniques are applied to light-sheet microscopy. This approach increases the field-of-view that can be imaged at high resolution by over an order of magnitude compared to standard Gaussian beam based light-sheet microscopy, has reduced phototoxicity, and can be implemented with a low-cost optical system. Advanced implementations show promise for imaging at depth within turbid tissue, in particular for neuroscience. Super-resolution microscopy techniques enhance the spatial resolution of optical methods. Structured illumination microscopy is investigated as an alternative for electron microscopy in disease diagnosis, capable of visualising pathologically relevant features of kidney disease. Separately, compact optical manipulation methods are developed with the aim of adding functionality to super-resolution techniques.

L’utilisation de techniques de microscopie optique de plus en plus performantes a permis des avancées considérables en neurobiologie. Néanmoins, la population de neurones mise en jeu lors de la formation de la mémoire, ainsi que sa dynamique restent à ce jour très peu connues. L’objectif de la thèse est de développer puis d’utiliser deux types de microscopies originales couplées à des sondes fluorescentes de dernière génération (sondes calciques G-CaMP6f et sonde voltage ArcLight) pour l’étude in vivo des réseaux neuronaux impliqués dans la mémorisation chez la drosophile. Le choix du modèle Drosophila melanogaster pour cette étude neurobiologique est justifié par plusieurs atouts uniques : un cerveau peu volumineux, des capacités d’apprentissage remarquables, la possibilité d’analyser un réseau neuronal dans sa globalité avec une résolution cellulaire et la disponibilité d’outils génétiques très perfectionnés pour son étude. Le premier type de microscopie conçu est celui dite à illumination structurée de type HiLo permettant d'obtenir une coupe optique en profondeur. Nous avons alors étudié le rôle de divers récepteurs, tels que les récepteurs dopaminergiques et gabaergiques dans la transmission de l'information punitive jusqu'aux neurones des corps pédonculés. Nous avons également mis en évidence une non-homogénéité spatiale des neurones de type α/β des corps pédonculés en termes d’excitation et d’inhibition en réponse à une stimulation punitive pour une profondeur d’analyse d'environ 10 à 20 µm. Cette profondeur limite étant imposée par les aberrations, nous avons alors implémenté une boucle d’optique adaptative dans notre microscope. Cela a permis de réaliser des analyses morphologiques jusqu’à 50 µm de profondeur. Le second type de microscopie développé est la microscopie multiconfocale de type « spinning disk » dans le but d’imager l’ensemble des corps cellulaires des neurones des corps pédonculés. Le développement de ce projet n'est pas achevé, ce qui n’a pas encore permis de répondre à des questions biologiques d’intérêt. / Cellular and neural network dynamics involved in memory formation remain poorly known despite the progress brought by advanced optical microscopies to neurobiology. The use of Drosophila melanogaster as a model organism constitute one of the most promising approaches due to its unique features: a small brain size, outstanding learning capabilities, very powerful genetic tools and the possibility to analyze a whole neural network with a cellular resolution. To this aim, we implemented two types of optical fluorescence microscopes coupled to cutting-edge fluorescent biosensors, calcic G-CaMP6f and voltage ArcLight probes. We used HiLo structured illumination, a technique able to provide axial optical sectioning, deep in the brain, to study the role of dopaminergic and gabaergic molecular receptors in the transmission of aversive stimulus to mushroom bodies neurons. We also evidenced a non-uniform response of type α/β mushroom bodies neurons under electrical stimulation at 10 to 20 µm depth of analysis. To penetrate deeper in the brain, we added an adaptive optics feedback loop into our microscope in order to overcome aberrations issues. We were then able to rebuild optical sections down to 50 µm depth. The second type of microscopy we developed is a multiconfocal microscope using spinning disk. The aim was to image all the mushroom bodies neurons, at the level of their cell bodies, with a cellular resolution. Since this project is at its beginning, it did not allow us to answer to advanced biological questions yet.