Kompensacja aberracji optycznych wywołanych próbką ma kluczowe znaczenie dla wizualizacji mikroskopijnych struktur głęboko w tkankach biologicznych. Silne rozpraszanie wielokrotne ogranicza jednak możliwość wykrywania i naprawy błędów wywołanych przez tkanki.
Dlatego też, aby uzyskać obraz głębokich tkanek o wysokiej rozdzielczości, niezbędne jest usunięcie fal wielokrotnie rozproszonych i zwiększenie stosunku fal rozproszonych pojedynczo. Naukowcy, kierowani przez zastępcę dyrektora CHOI Wonshika z Centrum Spektroskopii Molekularnej i Dynamiki w Instytucie Nauk Podstawowych, profesora KIM Moonseoka z The Catholic University of Korea oraz profesora CHOI Myunghwana z Seoul National University opracowali nowy typ mikroskopu holograficznego, aby zobacz przez czaszkę i wyobraź sobie mózg.
Nowy mikroskop może „przejrzeć” nienaruszoną czaszkę i jest zdolny do obrazowania 3D sieci neuronowej w wysokiej rozdzielczości w mózgu żywej myszy bez usuwania czaszki.
W 2019 roku naukowcy z IBS– po raz pierwszy opracowała szybki czasowo-rozdzielczy mikroskop holograficzny, który może wyeliminować wielokrotne rozpraszanie. Jednocześnie mierzy amplitudę i fazę światła.
Za pomocą mikroskopu mogli obserwować sieć neuronową żywych ryb bez operacji nacinania. Jednak trudno było uzyskać obraz sieci neuronowej mózgu myszy, ponieważ czaszka myszy jest grubsza niż czaszka ryby.
Zespół badawczy był w stanie ilościowo przeanalizować interakcje światła i materii, co pozwoliło im na dalszy rozwój wcześniejszego mikroskopu. Ostatnie badania donoszą o pomyślnym opracowaniu supergłębokiego, trójwymiarowego, czasowo-rozdzielczego mikroskopu holograficznego, który umożliwia obserwację tkanek na większą niż kiedykolwiek wcześniej głębokość.
W szczególności naukowcy opracowali metodę preferencyjnego wyboru fal pojedynczych rozproszonych, wykorzystując fakt, że mają one podobne kształty fali odbicia, nawet gdy światło jest wprowadzane pod różnymi kątami.
Aby odkryć tryb rezonansu, który optymalizuje interferencję konstruktywną (interferencję, która ma miejsce, gdy fale o tej samej fazie nakładają się), stosuje się skomplikowany algorytm i operację numeryczną badającą tryb własny ośrodka (odrębna fala, która rozprowadza energię świetlną w ośrodku). Umożliwiło to nowemu mikroskopowi selektywne odfiltrowanie niechcianych sygnałów, skupiając ponad 80 razy więcej energii świetlnej na włóknach mózgu niż poprzednio. Umożliwiło to zwiększenie o kilka rzędów wielkości stosunku fal pojedynczo rozproszonych do fal wielokrotnie rozproszonych.
Następnie naukowcy przetestowali tę technologię, obserwując mózg myszy. Nawet na głębokości, na której zastosowanie obecnej technologii było wcześniej niemożliwe, zniekształcenie czoła fali można było skorygować za pomocą mikroskopu. Nowy mikroskop z powodzeniem zobrazował sieć neuronową mózgu myszy pod czaszką w wysokiej rozdzielczości. Wszystko to osiągnięto w widzialnej długości fali bez wyjmowania czaszki myszy i bez użycia znacznika fluorescencyjnego.
Profesor KIM Moonseok i dr JO Yonghyeon, którzy opracowali podstawy mikroskopu holograficznego, powiedzieli: „Kiedy po raz pierwszy zaobserwowaliśmy rezonans optyczny złożonych mediów, nasza praca spotkała się z dużym zainteresowaniem środowiska akademickiego. Od podstawowych zasad do praktycznego zastosowania obserwacji sieci neuronowej pod czaszką myszy, otworzyliśmy nowy sposób na zbieżną technologię neuroobrazowania mózgu, łącząc wysiłki utalentowanych ludzi w dziedzinie fizyki, życia i mózg nauka."
Zastępca dyrektora CHOI Wonshik powiedział: „Od dłuższego czasu nasze Centrum opracowało super-głęboką technologię bioobrazowania, która stosuje zasady fizyczne. Oczekuje się, że nasze obecne odkrycie w znacznym stopniu przyczyni się do rozwoju interdyscyplinarnych badań biomedycznych, w tym neuronauki i przemysłu precyzyjnej metrologii”.
Referencje czasopisma:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Obrazowanie mózgu przez czaszkę in vivo przy widzialnych długościach fal za pomocą adaptacyjnej mikroskopii optycznej z redukcją wymiarów. Postępy nauki, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
