Kompensasjon av prøveinduserte optiske aberrasjoner er avgjørende for å visualisere mikroskopiske strukturer dypt inne i biologisk vev. Sterk multippel spredning begrenser imidlertid muligheten til å oppdage og reparere vev-induserte feil.
Derfor, for å oppnå et dypt vevsbilde med høy oppløsning, er det viktig å fjerne de flerspredte bølgene og øke forholdet mellom de enkeltspredte bølgene. Forskere, ledet av assisterende direktør CHOI Wonshik ved Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics ved Institute for Basic Science, professor KIM Moonseok fra The Catholic University of Korea, og professor CHOI Myunghwan fra Seoul National University utviklet en ny type holografisk mikroskop, for å se gjennom hodeskallen og avbilde hjerne.
Det nye mikroskopet kan "se gjennom" den intakte hodeskallen og er i stand til høyoppløselig 3D-avbildning av det nevrale nettverket i en levende musehjerne uten å fjerne hodeskallen.
I 2019 har forskere fra IBS– for første gang utviklet det høyhastighets tidsoppløste holografiske mikroskopet som kan eliminere multippel spredning. Samtidig måler den lysets amplitude og fase.
Ved hjelp av mikroskopet kunne de observere det nevrale nettverket til levende fisk uten snittkirurgi. Det var imidlertid vanskelig å få et nevralt nettverksbilde av musenes hjerne, da en muses hodeskalle er tykkere enn hos fisk.
Studieteamet var i stand til å kvantitativt analysere hvordan lys og materie interagerer, noe som tillot dem å utvikle sitt tidligere mikroskop videre. Denne nylige studien rapporterte den vellykkede utviklingen av et superdybde, tredimensjonalt tidsoppløst holografisk mikroskop som tillater observasjon av vev til en større dybde enn noen gang før.
Forskere utviklet spesifikt en metode for å fortrinnsvis velge enkelt-spredte bølger ved å dra nytte av det faktum at de har lignende refleksjonsbølgeformer selv når lys kommer fra forskjellige vinkler.
For å oppdage resonansmodusen som optimerer konstruktiv interferens (interferens som skjer når bølger av samme fase overlapper), brukes en komplisert algoritme og numerisk operasjon som undersøker egenmodusen til et medium (en distinkt bølge som distribuerer lysenergi til et medium). Dette gjorde det mulig for det nye mikroskopet å selektivt filtrere ut uønskede signaler mens det fokuserte mer enn 80 ganger så mye lysenergi på hjernefibrene som tidligere. Dette gjorde det mulig å øke forholdet mellom enkeltspredte bølger og flerspredte bølger med flere størrelsesordener.
Forskere testet deretter teknologien ved å observere musehjernen. Selv på en dybde hvor det tidligere var umulig å bruke dagens teknologi, kunne bølgefrontforvrengningen korrigeres ved hjelp av mikroskopet. Det nye mikroskopet avbildet med suksess det neuronale nettverket til musehjernen under hodeskallen i høy oppløsning. Alt dette ble oppnådd i den synlige bølgelengden uten å ta ut musens hodeskalle og uten å bruke en fluorescerende markør.
Professor KIM Moonseok og Dr. JO Yonghyeon, som har utviklet grunnlaget for det holografiske mikroskopet, sa: "Da vi først observerte den optiske resonansen til komplekse medier, fikk arbeidet vårt stor oppmerksomhet fra akademia. Fra grunnleggende prinsipper til praktisk anvendelse av å observere det nevrale nettverket under museskallen, har vi åpnet en ny måte for hjernenevroimaging konvergent teknologi ved å kombinere innsatsen til talentfulle mennesker innen fysikk, liv og hjerne vitenskap."
Associate Director CHOI Wonshik sa, "I lang tid har senteret vårt utviklet super-dybde bioimaging teknologi som anvender fysiske prinsipper. Det forventes at vårt nåværende funn i stor grad vil bidra til utviklingen av biomedisinsk tverrfaglig forskning, inkludert nevrovitenskap og industrien for presisjonsmetrologi."
Tidsreferanse:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Hjerneavbildning gjennom skallen in vivo ved synlige bølgelengder via adaptiv-optisk mikroskopi med reduksjon av dimensjonalitet. Vitenskap Fremskritt, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
