Speckle dynamics in biological scattering media

From the 60s, the world has witnessed a tremendous development in photonics and associated technologies. Among the many applications that benefit from the latter, biology certainly plays a leading role. A wide range of imaging techniques are currently available to support scientists in order to derive information from biological tissues with greater spatial and temporal resolution than ever before. Neuroscience in particular offers an excellent field of application as a high degree of accuracy is necessary to understand neural networks and their peculiarities. However, exploring these mechanisms at great depths, particularly in the human brain, is often prohibitive due to the strong photon scattering. For this reason, a new technique, called Functional Signals Unmixing in High Scattering conditions (FSU-HS), will be introduced, able to exploit precisely this high degree of scattering to extract functional signals from speckle patterns through sophisticated algorithms. In particular, this experimental work, conducted in the Complex Media Optics Lab of the Laboratoire Kastler-Brossel, is aimed at identifying the limits imposed by the spectral and temporal decorrelation of the medium on the aforementioned technique in such a way to understand the best way to conduct an experimental session on ex-vivo mouse brain tissue. After building a proper optical system containing a self-made monochromator, tests have shown that the temporal correlation bandwidth of the speckle patterns of the above mentioned tissue depends on both position and instant in which the measurement is carried out. A method was then identified to extract the spectral correlation bandwidth of the medium regardless of the effect due to the time flow. However, the results have shown that the narrowest spectrum obtainable by the used light source is close to the characteristic spectral bandwidth of the medium (about 2 nm), therefore subsequent measurements are necessary for a more accurate analysis. Finally, the contrast of the speckle figure was evaluated, an increase with the laser wavelength has been observed but also this subject necessitates of further and in-depth studies. At the end of the dissertation, various hypotheses were discussed for the improvement of the hardware and for the discernment of new and more reliable results.

Dagli anni 60 ad oggi, il mondo ha assistito ad un enorme sviluppo della fotonica e delle tecnologie ad essa associate. Tra le molteplici applicazioni che da quest'ultima traggono beneficio, sicuramente la biologia ha un ruolo di primo piano. Un ampio ventaglio di tecniche di imaging è attualmente in grado di supportare gli scienziati dimodochè essi possano trarre informazioni dai tessuti biologici con una maggiore risoluzione spaziale e temporale rispetto al passato. Le neuroscienze in particolare offrono un ottimo campo di applicazione in quanto un elevato grado di accuratezza è necessario per comprendere le reti neurali e le loro peculiarità. Tuttavia esplorare tali meccanismi ad elevate profondità, in particolare nel cervello umano, è spesso proibitivo a causa del forte scattering a cui i fotoni vanno incontro. Per tale motivo in questa tesi verrà introdotta una nuova tecnica, chiamata Functional Signals Unmixing in High Scattering conditions (FSU-HS), in grado di sfruttare proprio questo alto grado di scattering per estrarre dei segnali funzionali dagli speckle tramite sofisticati algoritmi senza gravare sulla componentistica. In particolare questo lavoro sperimentale, condotto nel Complex Media Optics Lab del Laboratorie Kastler-Brossel, è volto ad individuare i limiti imposti dalla decorrelazione spettrale e temporale del tessuto cerebrale di topo ex-vivo sulla suddetta tecnica in modo tale da comprenderne i valori ottimali di utilizzo. I test hanno evidenziato come la banda di correlazione temporale degli speckle pattern di tale tessuto dipenda sia dal punto che dall'istante in cui la misura viene effettuata. E' stata poi individuato un metodo per estrarre la banda di correlazione spettrale del mezzo indipendentemente dall'effetto portato avanti dallo scorrere del tempo. Tuttavia i risultati ottenuti si avvicinano molto alla più piccola larghezza di banda ottenibile della sorgente luminosa (circa 2 nm) utilizzata per produrre gli speckles, pertanto delle successive misure sono necessarie per un'analisi statistica più accurata. Infine è stato valutato il contrasto delle figure di speckle, crescente con l'aumento della lunghezza d'onda del laser ed anch'esso oggetto di ulteriori, ed approfonditi studi. Al termine dell'elaborato, sono state discusse varie ipotesi per il miglioramento dal punto di vista hardware del setup e per il discernimento di nuovi e più affidabili risultati.