Topic description
La microscopie de fluorescence super-résolue a profondément transformé l'imagerie du vivant en permettant de localiser des molécules uniques au-delà de la limite de diffraction. Pourtant, ces approches reposent presque exclusivement sur l'analyse spatiale des images, ce qui les rend sensibles aux aberrations, difficiles à déployer en profondeur, et limitées dans les informations accessibles. Notre équipe développe différentes approches afin d'améliorer la resolution latérale et axiale mais également la capacité d'imager des échantillons complexes (organoides) en profondeur.
Ce projet de thèse propose un changement de paradigme : imager par le temps plutôt que par l'espace. Nous avons récemment démontré qu'il est possible de reconstruire la position de molécules fluorescentes à partir d'un encodage temporel de leur émission, via une illumination structurée originale (TimeLoc). Cette approche ouvre la voie à une imagerie plus robuste et intrinsèquement multidimensionnelle, permettant d'accéder simultanément à la position, à la dynamique et aux propriétés photophysiques des molécules fluorescentes.
Par ailleurs, l'émergence récente de matrices de détecteurs (SPAD) offre un accès direct au temps d'arrivée des photons avec une résolution inégalée, ouvrant de nouvelles perspectives pour l'imagerie, le suivi de particules et des approches inspirées par la quantum imaging.
La thèse visera à :
-Développer une nouvelle génération de microscopes TimeLoc pour la localisation 3D à haute densité
-Combiner localisation et durée de vie de fluorescence (FLIM)
-Exploiter les matrices SPAD pour accéder à l'information photon par photon
-Explorer des approches émergentes à l'interface avec l'imagerie quantique
- Appliquer ces développements à differentes problematiques biologiques, et en particulier pour la compréhension de la migration des cellules cancéreuses.
La thèse se déroulera en partenariat entre le groupe Nanobio (ISMO) et l'Institut Langevin, dans un environnement interdisciplinaire (physiciens, biologistes, data scientists), dans le cadre d'un projet ERC et d'un financement national (ANR).
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Super-resolution fluorescence microscopy has profoundly transformed bioimaging by enabling the localization of single molecules beyond the diffraction limit. However, current approaches rely almost exclusively on the spatial analysis of images, making them sensitive to optical aberrations, difficult to implement in depth, and inherently limited in the type of information they can extract. Our group develops innovative strategies to improve both lateral and axial resolution, as well as to enable imaging of complex biological samples (e.g. organoids) deep inside tissues.
This PhD project proposes a paradigm shift: imaging through time rather than space. We have recently demonstrated that the position of fluorescent molecules can be reconstructed from a temporal encoding of their emission, using a tailored structured illumination scheme (TimeLoc). This approach opens the way to more robust and intrinsically multidimensional imaging, enabling simultaneous access to molecular position, dynamics, and photophysical properties.
In parallel, the recent emergence of single-photon detector arrays (SPAD) provides direct access to photon arrival times with unprecedented resolution, opening new opportunities for imaging, particle tracking, and approaches inspired by quantum imaging.
The PhD project will aim to:
-Develop a new generation of TimeLoc microscopes for high-density 3D single-molecule localization
-Combine localization with fluorescence lifetime imaging (FLIM)
-Leverage SPAD arrays to access photon-by-photon temporal information
-Explore emerging approaches at the interface with quantum imaging
- Apply to differente biological questions, in particular to decipher mechanisms related to cancer migration.
The PhD will be carried out within a collaboration between the Nanobio group (ISMO) and Institut Langevin (PAris), in a highly interdisciplinary environment (physicists, biologists, data scientists), as part of an ERC-funded project and a national grant (ANR)
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Début de la thèse : 01/10/
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Contrats ED : Programme blanc GS-Physique
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