Die Kompensation probeninduzierter optischer Aberrationen ist entscheidend für die Visualisierung mikroskopischer Strukturen tief in biologischen Geweben. Starke Mehrfachstreuung schränkt jedoch die Fähigkeit ein, gewebeinduzierte Fehler zu erkennen und zu reparieren.
Um ein hochauflösendes Tiefengewebebild zu erhalten, ist es daher unerlässlich, die mehrfach gestreuten Wellen zu entfernen und das Verhältnis der einfach gestreuten Wellen zu erhöhen. Wissenschaftler unter der Leitung von Associate Director CHOI Wonshik vom Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics innerhalb des Institute for Basic Science, Professor KIM Moonseok von der Catholic University of Korea und Professor CHOI Myunghwan von der Seoul National University entwickelten einen neuen Typ von holographischem Mikroskop Sehen Sie durch den Schädel und stellen Sie sich das vor Einnahme von Medikamenten.
Das neue Mikroskop kann den intakten Schädel „durchschauen“ und ist in der Lage, hochauflösende 3D-Bilder des neuronalen Netzwerks innerhalb eines lebenden Mausgehirns zu erstellen, ohne den Schädel zu entfernen.
Im Jahr 2019 haben Wissenschaftler aus IBS– entwickelte erstmals das zeitaufgelöste holografische Hochgeschwindigkeitsmikroskop, das Mehrfachstreuung eliminieren kann. Gleichzeitig misst es Amplitude und Phase des Lichts.
Mit dem Mikroskop konnten sie das neuronale Netzwerk von lebenden Fischen ohne Schnittoperation beobachten. Es war jedoch schwierig, ein neuronales Netzwerkbild des Gehirns von Mäusen zu erhalten, da der Schädel einer Maus dicker ist als der von Fischen.
Das Studienteam konnte die Wechselwirkung von Licht und Materie quantitativ analysieren und so sein früheres Mikroskop weiterentwickeln. Diese kürzlich durchgeführte Studie berichtete über die erfolgreiche Entwicklung eines supertiefen, dreidimensionalen zeitaufgelösten holografischen Mikroskops, das die Beobachtung von Geweben in einer größeren Tiefe als je zuvor ermöglicht.
Wissenschaftler haben insbesondere eine Methode entwickelt, um bevorzugt einfach gestreute Wellen auszuwählen, indem sie sich die Tatsache zunutze machen, dass sie ähnliche Reflexionswellenformen haben, selbst wenn Licht aus verschiedenen Winkeln einfällt.
Um den Resonanzmodus zu entdecken, der die konstruktive Interferenz optimiert (Interferenz, die auftritt, wenn sich Wellen derselben Phase überlappen), werden ein komplizierter Algorithmus und eine numerische Operation verwendet, die den Eigenmodus eines Mediums (eine bestimmte Welle, die Lichtenergie in ein Medium verteilt) untersuchen. Dadurch konnte das neue Mikroskop unerwünschte Signale selektiv herausfiltern und gleichzeitig mehr als 80-mal so viel Lichtenergie auf die Gehirnfasern fokussieren wie zuvor. Dadurch konnte das Verhältnis von einfach gestreuten Wellen zu mehrfach gestreuten Wellen um mehrere Größenordnungen erhöht werden.
Als nächstes testeten die Wissenschaftler die Technologie, indem sie das Gehirn der Maus beobachteten. Selbst in einer Tiefe, in der der Einsatz der aktuellen Technologie bisher unmöglich war, konnte die Wellenfrontverzerrung mit dem Mikroskop korrigiert werden. Das neue Mikroskop bildete erfolgreich das neuronale Netzwerk des Mausgehirns unter dem Schädel in hoher Auflösung ab. All dies wurde im sichtbaren Wellenlängenbereich erreicht, ohne den Schädel der Maus herauszunehmen und ohne einen fluoreszierenden Marker zu verwenden.
Professor KIM Moonseok und Dr. JO Yonghyeon, die die Grundlagen des holografischen Mikroskops entwickelt haben, sagten: „Als wir zum ersten Mal die optische Resonanz komplexer Medien beobachteten, erregte unsere Arbeit große Aufmerksamkeit in der akademischen Welt. Von den Grundprinzipien bis zur praktischen Anwendung der Beobachtung des neuronalen Netzwerks unter dem Mausschädel haben wir einen neuen Weg für die konvergente Technologie der Gehirn-Neurobildgebung eröffnet, indem wir die Bemühungen talentierter Menschen in Physik, Leben und Einnahme von Medikamenten Wissenschaft."
Der stellvertretende Direktor CHOI Wonshik sagte: „Seit langem entwickelt unser Zentrum Super-Depth-Bioimaging-Technologie, die physikalische Prinzipien anwendet. Es wird erwartet, dass unsere aktuelle Erkenntnis einen großen Beitrag zur Entwicklung der biomedizinischen interdisziplinären Forschung leisten wird, einschließlich der Neurowissenschaften und der Industrie der Präzisionsmesstechnik.“
Journal Referenz:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Gehirnbildgebung durch den Schädel in vivo bei sichtbaren Wellenlängen mittels adaptiver optischer Mikroskopie zur Dimensionsreduktion. Wissenschaft Fortschritte2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
