Microscopie de localisation de molécules uniques encodées temporellement pour la biologie // Time-encoded single molecule localization microscopy for biology

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 : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Nous recherchons un(e) candidat(e) ayant une formation solide en physique, optique ou photonique, avec un fort intérêt pour l'instrumentation expérimentale et les approches innovantes en imagerie. Le ou la candidat(e) devra présenter : Une excellente maîtrise des bases en optique, physique des ondes ou physique expérimentale Un intérêt marqué pour le développement instrumental et l'expérimentation Des compétences en traitement de données / programmation (Python, MATLAB ou équivalent) Une appétence pour les projets interdisciplinaires, à l'interface avec la biologie Des connaissances en microscopie ou en analyse de signaux seront appréciées, sans être indispensables. Au-delà des compétences techniques, nous recherchons un profil curieux, autonome et créatif, capable de s'approprier un sujet exploratoire et de contribuer à l'émergence de nouvelles approches en imagerie, et souhaitant travailler au sein d'une equipe fortement interdisciplinaire.
We are seeking a candidate with a strong background in physics, optics, or photonics, and a strong interest in experimental instrumentation and innovative imaging approaches. The candidate should demonstrate: A solid foundation in optics, wave physics, or experimental physics A strong interest in instrument development and hands-on experimentation Skills in data analysis and programming (Python, MATLAB, or equivalent) An interest in interdisciplinary research, particularly at the interface with biology Prior experience in microscopy or signal analysis would be appreciated, but is not required. Beyond technical skills, we are looking for a curious, independent, and creative candidate, able to engage with an exploratory project and contribute to the development of new imaging paradigms, with a strong interest to work within an interdisciplinary team