Η αντιστάθμιση των οπτικών εκτροπών που προκαλούνται από το δείγμα είναι ζωτικής σημασίας για την απεικόνιση μικροσκοπικών δομών βαθιά μέσα στους βιολογικούς ιστούς. Ωστόσο, η ισχυρή πολλαπλή σκέδαση περιορίζει την ικανότητα ανίχνευσης και επιδιόρθωσης σφαλμάτων που προκαλούνται από τον ιστό.
Επομένως, για να αποκτήσετε μια εικόνα βαθέως ιστού υψηλής ανάλυσης, είναι απαραίτητη η αφαίρεση των πολλαπλών σκεδαζόμενων κυμάτων και η αύξηση της αναλογίας των μονοσκεδασμένων κυμάτων. Επιστήμονες, με επικεφαλής τον Αναπληρωτή Διευθυντή CHOI Wonshik του Κέντρου Μοριακής Φασματοσκοπίας και Δυναμικής του Ινστιτούτου Βασικής Επιστήμης, τον καθηγητή KIM Moonseok του Καθολικού Πανεπιστημίου της Κορέας και τον καθηγητή CHOI Myunghwan του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σεούλ ανέπτυξαν έναν νέο τύπο ολογραφικού μικροσκοπίου. δείτε μέσα από το κρανίο και εικόνα το εγκέφαλος.
Το νέο μικροσκόπιο μπορεί να επιτύχει «διαπερατή» το άθικτο κρανίο και είναι ικανό για υψηλής ανάλυσης τρισδιάστατη απεικόνιση του νευρωνικού δικτύου μέσα σε έναν εγκέφαλο ζωντανού ποντικιού χωρίς να αφαιρέσει το κρανίο.
Το 2019, επιστήμονες από IBS– για πρώτη φορά- ανέπτυξε το ολογραφικό μικροσκόπιο υψηλής ταχύτητας ανάλυσης χρόνου που μπορεί να εξαλείψει την πολλαπλή σκέδαση. Ταυτόχρονα, μετρά το πλάτος και τη φάση του φωτός.
Χρησιμοποιώντας το μικροσκόπιο, μπορούσαν να παρατηρήσουν το νευρωνικό δίκτυο ζωντανών ψαριών χωρίς χειρουργική επέμβαση τομής. Ωστόσο, ήταν δύσκολο να ληφθεί μια εικόνα νευρωνικού δικτύου του εγκεφάλου ποντικών, καθώς το κρανίο ενός ποντικιού είναι παχύτερο από αυτό των ψαριών.
Η ομάδα μελέτης μπόρεσε να αναλύσει ποσοτικά τον τρόπο αλληλεπίδρασης του φωτός και της ύλης, κάτι που τους επέτρεψε να αναπτύξουν περαιτέρω το παλαιότερο μικροσκόπιό τους. Αυτή η πρόσφατη μελέτη ανέφερε την επιτυχή ανάπτυξη ενός υπερβαθούς, τρισδιάστατου ολογραφικού μικροσκοπίου με χρονική ανάλυση που επιτρέπει την παρατήρηση ιστών σε μεγαλύτερο βάθος από ποτέ.
Οι επιστήμονες, συγκεκριμένα, ανέπτυξαν μια μέθοδο για να επιλέγουν κατά προτίμηση μονοσκέδαστα κύματα, εκμεταλλευόμενοι το γεγονός ότι έχουν παρόμοιες κυματομορφές ανάκλασης ακόμα και όταν το φως εισέρχεται από διάφορες γωνίες.
Για να ανακαλύψετε τη λειτουργία συντονισμού που βελτιστοποιεί την εποικοδομητική παρεμβολή (παρεμβολή που συμβαίνει όταν επικαλύπτονται τα κύματα της ίδιας φάσης), χρησιμοποιείται ένας περίπλοκος αλγόριθμος και αριθμητική λειτουργία που εξετάζει τον ιδιοτρόπο ενός μέσου (ένα διακριτό κύμα που κατανέμει την φωτεινή ενέργεια σε ένα μέσο). Αυτό επέτρεψε στο νέο μικροσκόπιο να φιλτράρει επιλεκτικά τα ανεπιθύμητα σήματα, ενώ εστιάζει πάνω από 80 φορές περισσότερη φωτεινή ενέργεια στις εγκεφαλικές ίνες από ό,τι προηγουμένως. Αυτό κατέστησε δυνατή την αύξηση της αναλογίας μονοσκεδασμένων κυμάτων προς πολλαπλά σκεδαζόμενα κύματα κατά πολλές τάξεις μεγέθους.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες δοκίμασαν την τεχνολογία παρατηρώντας τον εγκέφαλο του ποντικιού. Ακόμη και σε ένα βάθος όπου η χρήση της τρέχουσας τεχνολογίας ήταν προηγουμένως αδύνατη, η παραμόρφωση του μετώπου κύματος μπορούσε να διορθωθεί χρησιμοποιώντας το μικροσκόπιο. Το νέο μικροσκόπιο απεικόνισε με επιτυχία το νευρωνικό δίκτυο του εγκεφάλου του ποντικιού κάτω από το κρανίο σε υψηλή ανάλυση. Όλα αυτά επιτεύχθηκαν στο ορατό μήκος κύματος χωρίς να αφαιρέσετε το κρανίο του ποντικιού και χωρίς να χρησιμοποιήσετε φθορίζοντα δείκτη.
Ο καθηγητής KIM Moonseok και ο Dr. JO Yonghyeon, οι οποίοι ανέπτυξαν τα θεμέλια του ολογραφικού μικροσκοπίου, είπαν: «Όταν παρατηρήσαμε για πρώτη φορά τον οπτικό συντονισμό πολύπλοκων μέσων, η δουλειά μας έλαβε μεγάλη προσοχή από τον ακαδημαϊκό κόσμο. Από τις βασικές αρχές μέχρι την πρακτική εφαρμογή της παρατήρησης του νευρωνικού δικτύου κάτω από το κρανίο του ποντικιού, έχουμε ανοίξει έναν νέο δρόμο για τη συγκλίνουσα τεχνολογία νευροαπεικόνισης του εγκεφάλου συνδυάζοντας τις προσπάθειες ταλαντούχων ανθρώπων στη φυσική, τη ζωή και τη ζωή και εγκέφαλος επιστήμη."
Ο Αναπληρωτής Διευθυντής CHOI Wonshik είπε, «Για πολύ καιρό, το Κέντρο μας έχει αναπτύξει τεχνολογία βιοαπεικόνισης σούπερ βάθους που εφαρμόζει φυσικές αρχές. Αναμένεται ότι το παρόν εύρημα θα συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη της βιοϊατρικής διεπιστημονικής έρευνας, συμπεριλαμβανομένης της νευροεπιστήμης και της βιομηχανίας της μετρολογίας ακριβείας».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Απεικόνιση εγκεφάλου μέσω κρανίου in vivo σε ορατά μήκη κύματος μέσω προσαρμοστικής-οπτικής μικροσκοπίας μείωσης διαστάσεων. Προκαταβολές Επιστήμη, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
