Näytteen aiheuttamien optisten poikkeamien kompensointi on ratkaisevan tärkeää mikroskooppisten rakenteiden visualisoinnissa syvällä biologisissa kudoksissa. Voimakas moninkertainen sironta rajoittaa kuitenkin kykyä havaita ja korjata kudosten aiheuttamia virheitä.
Siksi korkearesoluutioisen syväkudoskuvan saamiseksi on välttämätöntä poistaa useita sironneita aaltoja ja lisätä yksittäisten sironneiden aaltojen suhdetta. Tutkijat, joita johtivat apulaisjohtaja CHOI Wonshik perustieteen instituutin molekyylispektroskopian ja dynamiikan keskuksesta, professori KIM Moonseok Korean katolisesta yliopistosta ja professori CHOI Myunghwan Soulin kansallisesta yliopistosta kehittivät uudentyyppisen holografisen mikroskoopin, katso kallon läpi ja kuva aivot.
Uudella mikroskoopilla voidaan "näkeä läpi" ehjä kallo ja se pystyy korkearesoluutioiseen 3D-kuvaukseen elävän hiiren aivojen hermoverkosta poistamatta kalloa.
Vuonna 2019 tutkijat alkaen IBS– kehitti ensimmäistä kertaa nopean aikaresoluution holografisen mikroskoopin, joka voi eliminoida moninkertaisen sironnan. Samalla se mittaa valon amplitudia ja vaihetta.
Mikroskoopilla he pystyivät tarkkailemaan elävien kalojen hermoverkkoa ilman leikkausleikkausta. Hermoverkkokuvan saaminen hiiren aivoista oli kuitenkin vaikeaa, koska hiiren kallo on paksumpi kuin kalan.
Tutkimusryhmä pystyi kvantitatiivisesti analysoimaan valon ja aineen vuorovaikutusta, mikä antoi heille mahdollisuuden kehittää aikaisempaa mikroskooppiaan edelleen. Tämä äskettäinen tutkimus raportoi onnistuneesta erittäin syvällisen, kolmiulotteisen aikaresoluution holografisen mikroskoopin kehittämisestä, joka mahdollistaa kudosten havainnoinnin syvemmälle kuin koskaan ennen.
Erityisesti tutkijat kehittivät menetelmän valita yksittäisiä sironneita aaltoja hyödyntämällä sitä tosiasiaa, että niillä on samanlaiset heijastusaaltomuodot, vaikka valoa syötetään eri kulmista.
Sellaisen resonanssimoodin löytämiseksi, joka optimoi konstruktiivisen häiriön (häiriö, joka tapahtuu, kun saman vaiheen aallot menevät päällekkäin), käytetään monimutkaista algoritmia ja numeerista operaatiota, joka tutkii väliaineen ominaismuotoa (erillinen aalto, joka jakaa valoenergiaa väliaineeseen). Tämän ansiosta uusi mikroskooppi pystyi suodattamaan selektiivisesti ei-toivotut signaalit ja keskittymään yli 80 kertaa enemmän valoenergiaa aivokuituihin kuin aiemmin. Tämä mahdollisti yksittäisten sironneiden aaltojen suhdetta moninkertaisiin aaltoihin nostaa useilla suuruusluokilla.
Seuraavaksi tutkijat testasivat tekniikkaa tarkkailemalla hiiren aivoja. Jopa syvyydellä, jossa nykyisen tekniikan käyttö oli aiemmin mahdotonta, aaltorintaman vääristymä voitiin korjata mikroskoopilla. Uusi mikroskooppi kuvasi onnistuneesti hiiren aivojen hermosolujen verkoston kallon alla korkealla resoluutiolla. Kaikki tämä saavutettiin näkyvällä aallonpituudella ilman, että hiiren kalloa oli otettu pois ja käyttämättä fluoresoivaa merkkiä.
Holografisen mikroskoopin perustan kehittäneet professori KIM Moonseok ja tohtori JO Yonghyeon sanoivat: ”Kun havaitsimme ensimmäisen kerran monimutkaisen median optista resonanssia, työmme sai suurta huomiota akateemisesta maailmasta. Hiiren kallon alla olevan hermoverkon havainnoinnin perusperiaatteista käytännön sovelluksiin olemme avanneet uuden tavan aivojen neurokuvantamisen konvergenttiteknologialle yhdistämällä lahjakkaiden ihmisten ponnistelut fysiikassa, elämässä ja aivot tiede. "
Apulaisjohtaja CHOI Wonshik sanoi, ”Keskustamme on pitkään kehittänyt erittäin syvällistä biokuvaustekniikkaa, joka soveltaa fyysisiä periaatteita. Tämän löydömme odotetaan edistävän suuresti biolääketieteen monitieteistä tutkimusta, mukaan lukien neurotiede ja tarkkuusmetrologiateollisuus."
Lehden viite:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Kallon läpi kulkeva aivokuvaus in vivo näkyvillä aallonpituuksilla mittasuhteen pienentämisen adaptiivis-optisella mikroskopialla. Tiede ennakot, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
