Compensatie van door monsters veroorzaakte optische aberraties is cruciaal voor het visualiseren van microscopische structuren diep in biologische weefsels. Sterke meervoudige verstrooiing beperkt echter het vermogen om door weefsel veroorzaakte fouten te detecteren en te herstellen.
Om een diep weefselbeeld met hoge resolutie te verkrijgen, is het daarom essentieel om de meervoudig verstrooide golven te verwijderen en de verhouding van de enkelvoudig verstrooide golven te vergroten. Wetenschappers, geleid door Associate Director CHOI Wonshik van het Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics binnen het Institute for Basic Science, Professor KIM Moonseok van The Catholic University of Korea, en Professor CHOI Myunghwan van Seoul National University ontwikkelden een nieuw type holografische microscoop, om kijk door de schedel en beeld de hersenen.
De nieuwe microscoop kan de intacte schedel "doorzien" en is in staat tot 3D-beeldvorming met hoge resolutie van het neurale netwerk in de hersenen van een levende muis zonder de schedel te verwijderen.
In 2019 hebben wetenschappers van IBS– voor het eerst de snelle tijdopgeloste holografische microscoop ontwikkeld die meervoudige verstrooiing kan elimineren. Tegelijkertijd meet het de amplitude en fase van het licht.
Met behulp van de microscoop konden ze het neurale netwerk van levende vissen observeren zonder incisiechirurgie. Het was echter moeilijk om een neuraal netwerkbeeld van de hersenen van muizen te verkrijgen, aangezien de schedel van een muis dikker is dan die van vissen.
Het onderzoeksteam was in staat om kwantitatief te analyseren hoe licht en materie op elkaar inwerken, waardoor ze hun eerdere microscoop verder konden ontwikkelen. Deze recente studie rapporteerde de succesvolle ontwikkeling van een superdiepe, driedimensionale tijdsopgeloste holografische microscoop die de observatie van weefsels tot een grotere diepte dan ooit tevoren mogelijk maakt.
Wetenschappers hebben met name een methode ontwikkeld om bij voorkeur enkelvoudig verstrooide golven te selecteren door gebruik te maken van het feit dat ze vergelijkbare reflectiegolfvormen hebben, zelfs wanneer licht vanuit verschillende hoeken wordt ingevoerd.
Om de resonantiemodus te ontdekken die constructieve interferentie optimaliseert (interferentie die optreedt wanneer golven van dezelfde fase elkaar overlappen), worden een ingewikkeld algoritme en numerieke bewerking gebruikt die de eigenmodus van een medium (een afzonderlijke golf die lichtenergie verdeelt in een medium) onderzoekt. Hierdoor kon de nieuwe microscoop selectief ongewenste signalen uitfilteren terwijl meer dan 80 keer zoveel lichtenergie op de hersenvezels werd gericht als voorheen. Dit maakte het mogelijk om de verhouding van enkelvoudig verstrooide golven tot meervoudig verstrooide golven met verschillende ordes van grootte te vergroten.
Wetenschappers testten vervolgens de technologie door het brein van de muis te observeren. Zelfs op een diepte waar het gebruik van de huidige technologie voorheen onmogelijk was, kon de golffrontvervorming worden gecorrigeerd met behulp van de microscoop. De nieuwe microscoop heeft met succes het neuronale netwerk van de muizenhersenen onder de schedel in hoge resolutie in beeld gebracht. Dit alles werd bereikt in de zichtbare golflengte zonder de schedel van de muis eruit te halen en zonder een fluorescerende marker te gebruiken.
Professor KIM Moonseok en Dr. JO Yonghyeon, die de basis van de holografische microscoop hebben ontwikkeld, zeiden: “Toen we voor het eerst de optische resonantie van complexe media observeerden, kreeg ons werk veel aandacht van de academische wereld. Van basisprincipes tot praktische toepassing van het observeren van het neurale netwerk onder de schedel van de muis, we hebben een nieuwe weg geopend voor convergente technologie voor neuroimaging van de hersenen door de inspanningen te combineren van getalenteerde mensen in de natuurkunde, het leven en hersenen wetenschap."
Associate Director CHOI Wonshik zei: “Ons centrum heeft lange tijd superdiepgaande bio-imagingtechnologie ontwikkeld die fysische principes toepast. Verwacht wordt dat onze huidige bevinding in grote mate zal bijdragen aan de ontwikkeling van biomedisch interdisciplinair onderzoek, inclusief neurowetenschappen en de industrie van precisiemetrologie."
Journal Reference:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Through-skull brain imaging in vivo op zichtbare golflengten via adaptieve optische microscopie met reductie van dimensionaliteit. Wetenschap Advances, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
