La compensazione delle aberrazioni ottiche indotte dal campione è fondamentale per visualizzare le strutture microscopiche in profondità nei tessuti biologici. Una forte diffusione multipla, tuttavia, limita la capacità di rilevare e riparare errori indotti dai tessuti.
Pertanto, per ottenere un'immagine dei tessuti profondi ad alta risoluzione, è essenziale rimuovere le onde diffuse multiple e aumentare il rapporto delle onde diffuse singole. Gli scienziati, guidati dal direttore associato CHOI Wonshik del Centro di spettroscopia e dinamica molecolare dell'Istituto di scienze di base, dal professor KIM Moonseok dell'Università Cattolica della Corea e dal professor CHOI Myunghwan dell'Università nazionale di Seoul, hanno sviluppato un nuovo tipo di microscopio olografico, per guarda attraverso il teschio e immaginalo cervello.
Il nuovo microscopio può “vedere attraverso” il cranio intatto ed è in grado di acquisire immagini 3D ad alta risoluzione della rete neurale all’interno del cervello di un topo vivente senza rimuovere il cranio.
Nel 2019, gli scienziati di IBS– per la prima volta – ha sviluppato il microscopio olografico ad alta velocità con risoluzione temporale in grado di eliminare la diffusione multipla. Allo stesso tempo misura l'ampiezza e la fase della luce.
Usando il microscopio, hanno potuto osservare la rete neurale dei pesci vivi senza chirurgia incisionale. Tuttavia, è stato difficile ottenere un’immagine della rete neurale del cervello dei topi poiché il cranio dei topi è più spesso di quello dei pesci.
Il team di studio è stato in grado di analizzare quantitativamente il modo in cui la luce e la materia interagiscono, il che ha permesso loro di sviluppare ulteriormente il loro precedente microscopio. Questo recente studio ha riportato il successo dello sviluppo di un microscopio olografico tridimensionale super profondo, risolto nel tempo, che consente l’osservazione dei tessuti a una profondità maggiore che mai.
Gli scienziati, in particolare, hanno sviluppato un metodo per selezionare preferenzialmente le onde diffuse singole sfruttando il fatto che hanno forme d'onda di riflessione simili anche quando la luce viene immessa da varie angolazioni.
Per scoprire la modalità di risonanza che ottimizza l'interferenza costruttiva (interferenza che si verifica quando onde della stessa fase si sovrappongono), vengono utilizzati un complicato algoritmo e un'operazione numerica che esamina il modo proprio di un mezzo (un'onda distinta che distribuisce l'energia luminosa in un mezzo). Ciò ha consentito al nuovo microscopio di filtrare selettivamente i segnali indesiderati concentrando sulle fibre cerebrali più di 80 volte più energia luminosa rispetto a prima. Ciò ha permesso di aumentare il rapporto tra onde a diffusione singola e onde a diffusione multipla di diversi ordini di grandezza.
Gli scienziati hanno poi testato la tecnologia osservando il cervello del topo. Anche a profondità dove l’impiego della tecnologia attuale era precedentemente impossibile, la distorsione del fronte d’onda potrebbe essere corretta utilizzando il microscopio. Il nuovo microscopio ha ripreso con successo in alta risoluzione la rete neuronale del cervello del topo sotto il cranio. Tutto ciò è stato realizzato nella lunghezza d’onda visibile senza estrarre il cranio del topo e senza utilizzare un marcatore fluorescente.
Il Professor KIM Moonseok e il Dr. JO Yonghyeon, che hanno sviluppato le basi del microscopio olografico, hanno affermato: “Quando abbiamo osservato per la prima volta la risonanza ottica di mezzi complessi, il nostro lavoro ha ricevuto grande attenzione da parte del mondo accademico. Dai principi di base all'applicazione pratica dell'osservazione della rete neurale sotto il cranio del topo, abbiamo aperto una nuova strada per la tecnologia convergente di neuroimaging cerebrale combinando gli sforzi di persone di talento nel campo della fisica, della vita e dell'ingegneria. cervello scienza."
Il direttore associato CHOI Wonshik ha detto: “Per molto tempo, il nostro Centro ha sviluppato una tecnologia di bioimaging super-profondita che applica principi fisici. Si prevede che la nostra presente scoperta contribuirà notevolmente allo sviluppo della ricerca biomedica interdisciplinare, comprese le neuroscienze e l’industria della metrologia di precisione”.
Riferimento della Gazzetta:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Imaging cerebrale attraverso il cranio in vivo a lunghezze d'onda visibili tramite microscopia ottica adattiva con riduzione della dimensionalità. Anticipi Scienza, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
