Methodological and computing developments for transmission electron microscopy applied to biological samples
Développements méthodologiques et informatiques pour la microscopie électronique en transmission appliqués à des échantillons biologiques
Résumé
Transmission Electron Microscopy is a major tool for performing structural studies in biology. Some methods used for image sampling and analysis need to be improved in order to observe electron dose sensitive samples with good contrast and good signal to noise ratio. During this thesis, various methodological and computational approaches have been studied which aim to improve image quality. First, I evaluated the relevance of combining energy filtered imaging with the STEM mode. I show that this allows an improvement of the signal to noise ratio of images. Then, I devised an algorithm that generates an image from phase data. This approach allows improving the image contrast over direct imaging. The use of a phase plate and focal tilt series are both efficient tools to achieve this goal. While working on the software approach for processing of tilt series, we found that a qualitative result can be obtained from a single image. I developped the SPCI plugin for the ImageJ software. It allows processing between one and three focal images. My work involves optimization of the tomographic reconstruction process, including working with both alignment algorithms and reconstruction algorithms. I expose my studies on image alignment methods used on tilt series. These methods do rely on the use of key points and associated local descriptors. They have proved to be efficient to process images lacking fiducial markers. Finally, I propose a new unified algorithmic approach for 3D reconstruction of tomographic tilt series acquired with sparse sampling. I then derived another novel method that integrates the image alignment step in the process. Studies and developments will continue on both methods in futur work.
La microscopie électronique en transmission est une technique pertinente pour les études structurales en biologie. Certaines méthodes d’acquisition et d’analyse doivent être améliorées pour permettre l’observation d’échantillons sensibles aux doses d’électrons dans de bonnes conditions de contraste et de rapport signal sur bruit. Au cours de cette thèse, j’ai exploré différentes approches méthodologiques et informatiques dans le but d’améliorer la qualité des images. J’ai ainsi évalué la pertinence de la combinaison de l’imagerie en énergie filtrée avec le mode STEM. Je montre que cette combinaison est prometteuse puisqu’elle permet d’améliorer le rapport signal sur bruit des images. Par ailleurs, j’ai collaboré à des développements algorithmiques et logiciels pour la reconstitution d’images de contraste de phase. Ceci permet l’amélioration du contraste par rapport à une acquisition classique. Je montre aussi qu’à cette fin, la phase plate tout comme les séries focales sont des outils efficaces. En étudiant une approche logicielle pour l’exploitation des séries focales, nous avons déterminé qu’il est possible d’obtenir, en plus de données quantitatives, un résultat qualitatif à partir d’une seule image. J’ai ainsi développé le plugin SPCI pour le logiciel ImageJ, qui permet de traiter de une à trois images focales. Je m’intéresse également à l’optimisation du processus de reconstruction tomographique, tant à l’alignement qu’à la reconstruction proprement dite. L’approche évaluée pour l’alignement utilise des points caractéristiques associés à des descripteurs locaux. Elle s’est montrée performante et permet de traiter des images sans marqueurs fiduciaires. Enfin, je propose une nouvelle méthode unifiée de reconstruction tridimensionnelle de séries tomographiques parcimonieuses. Il en découle une approche innovante mélangeant reconstruction et alignement dont l’ébauche servira de base à des travaux futurs pour le traitement de séries tomographiques parcimonieuses. L’ensemble des méthodes évoquées ici, leur validation, ainsi que les perspectives d’évolution associées sont décrites dans ce manuscrit.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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