Kompensation af prøve-inducerede optiske aberrationer er afgørende for at visualisere mikroskopiske strukturer dybt inde i biologiske væv. Stærk multipel spredning begrænser imidlertid evnen til at opdage og reparere vævsinducerede fejl.
For at opnå et dybt vævsbillede med høj opløsning er det derfor vigtigt at fjerne de flerdelte spredte bølger og øge forholdet mellem de enkeltspredte bølger. Forskere, ledet af Associate Director CHOI Wonshik fra Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inden for Institute for Basic Science, professor KIM Moonseok fra The Catholic University of Korea og professor CHOI Myunghwan fra Seoul National University udviklede en ny type holografisk mikroskop for at se gennem kraniet og billede hjernen.
Det nye mikroskop kan opnå "se gennem" det intakte kranium og er i stand til højopløsnings 3D-billeddannelse af det neurale netværk i en levende musehjerne uden at fjerne kraniet.
I 2019 har forskere fra IBS- for første gang - udviklet det højhastigheds-tidsopløste holografiske mikroskop, der kan eliminere multipel spredning. Samtidig måler den lysets amplitude og fase.
Ved hjælp af mikroskopet kunne de observere det neurale netværk af levende fisk uden snitoperation. Det var dog vanskeligt at få et neuralt netværksbillede af musens hjerne, da en muses kranie er tykkere end fiskens.
Undersøgelsesholdet var i stand til kvantitativt at analysere, hvordan lys og stof interagerer, hvilket gjorde det muligt for dem at udvikle deres tidligere mikroskop yderligere. Denne nylige undersøgelse rapporterede den vellykkede udvikling af et superdybdegående, tredimensionelt tidsopløst holografisk mikroskop, der tillader observation af væv til en større dybde end nogensinde før.
Forskere udviklede specifikt en metode til fortrinsvis at vælge enkelt-spredte bølger ved at drage fordel af det faktum, at de har lignende reflektionsbølgeformer, selv når lys er input fra forskellige vinkler.
For at opdage resonanstilstanden, der optimerer konstruktiv interferens (interferens, der sker, når bølger af samme fase overlapper), bruges en kompliceret algoritme og numerisk operation, der undersøger et mediums egentilstand (en særskilt bølge, der distribuerer lysenergi til et medium). Dette gjorde det muligt for det nye mikroskop selektivt at bortfiltrere uønskede signaler, mens det fokuserede mere end 80 gange så meget lysenergi på hjernefibrene som tidligere. Dette gjorde det muligt at øge forholdet mellem enkelt-spredte bølger og multiple-spredte bølger med flere størrelsesordener.
Forskere testede derefter teknologien ved at observere musehjernen. Selv i en dybde, hvor det tidligere var umuligt at anvende den nuværende teknologi, kunne bølgefrontforvrængningen korrigeres ved hjælp af mikroskopet. Det nye mikroskop afbildede med succes det neuronale netværk i musehjernen under kraniet i høj opløsning. Alt dette blev opnået i den synlige bølgelængde uden at tage musens kranium ud og uden at bruge en fluorescerende markør.
Professor KIM Moonseok og Dr. JO Yonghyeon, som har udviklet fundamentet til det holografiske mikroskop, sagde: "Da vi først observerede den optiske resonans af komplekse medier, fik vores arbejde stor opmærksomhed fra den akademiske verden. Fra grundlæggende principper til praktisk anvendelse af observation af det neurale netværk under musekraniet, har vi åbnet en ny måde for hjerneneuroimaging konvergent teknologi ved at kombinere indsatsen fra talentfulde mennesker inden for fysik, liv og hjernen videnskab."
Associate Director CHOI Wonshik sagde, "Vores center har i lang tid udviklet superdybdegående biobilledteknologi, der anvender fysiske principper. Det forventes, at vores nuværende fund i høj grad vil bidrage til udviklingen af biomedicinsk tværfaglig forskning, herunder neurovidenskab og industrien for præcisionsmetrologi."
Journal Reference:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Billeddannelse af hjernen gennem kraniet in vivo ved synlige bølgelængder via dimensionsreduktion adaptiv-optisk mikroskopi. Science Forskud, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
