Компенсация оптических аберраций, вызванных образцом, имеет решающее значение для визуализации микроскопических структур глубоко внутри биологических тканей. Однако сильное многократное рассеяние ограничивает возможность обнаружения и исправления ошибок, вызванных тканями.
Следовательно, для получения изображения глубоких тканей с высоким разрешением необходимо удалить многократно рассеянные волны и увеличить соотношение однократно рассеянных волн. Ученые под руководством заместителя директора Центра молекулярной спектроскопии и динамики ЧОЙ Воншика Института фундаментальных наук, профессора КИМ Мунсока из Католического университета Кореи и профессора ЧОЙ Мёнхвана из Сеульского национального университета разработали новый тип голографического микроскопа, позволяющий увидеть сквозь череп и представить себе мозг.
Новый микроскоп может «видеть насквозь» неповрежденный череп и способен получать трехмерные изображения нейронной сети в мозгу живой мыши с высоким разрешением, не удаляя череп.
В 2019 году ученые из IBS– впервые разработал высокоскоростной голографический микроскоп с временным разрешением, позволяющий устранить многократное рассеяние. В то же время он измеряет амплитуду и фазу света.
Используя микроскоп, они могли наблюдать нейронную сеть живой рыбы без хирургического вмешательства. Однако получить нейросетевое изображение мозга мышей было сложно, поскольку череп мыши толще, чем у рыбы.
Исследовательская группа смогла количественно проанализировать, как взаимодействуют свет и материя, что позволило им дальше развивать свой более ранний микроскоп. В этом недавнем исследовании сообщалось об успешной разработке сверхглубокого трехмерного голографического микроскопа с временным разрешением, который позволяет наблюдать ткани на большей глубине, чем когда-либо прежде.
Ученые, в частности, разработали метод преимущественного выбора однократно рассеянных волн, воспользовавшись тем фактом, что они имеют схожие формы отражения, даже когда свет падает под разными углами.
Чтобы обнаружить резонансный режим, оптимизирующий конструктивную интерференцию (интерференция, возникающая при перекрытии волн одной и той же фазы), используется сложный алгоритм и численная операция, исследующая собственную моду среды (отдельную волну, которая распределяет световую энергию в среде). Это позволило новому микроскопу выборочно фильтровать нежелательные сигналы, фокусируя на волокнах мозга в 80 раз больше световой энергии, чем раньше. Это позволило на несколько порядков увеличить отношение однократно рассеянных волн к многократно рассеянным.
Затем ученые протестировали технологию, наблюдая за мозгом мыши. Даже на глубине, где использование современных технологий ранее было невозможно, искажение волнового фронта можно было исправить с помощью микроскопа. Новый микроскоп успешно получил изображение нейронной сети мозга мыши под черепом в высоком разрешении. Все это было выполнено в видимом диапазоне волн без извлечения черепа мыши и без использования флуоресцентного маркера.
Профессор Ким Мунсок и доктор Чо Ёнхён, разработавшие основу голографического микроскопа, сказали: «Когда мы впервые наблюдали оптический резонанс сложных сред, наша работа привлекла большое внимание научных кругов. От базовых принципов до практического применения наблюдения за нейронной сетью под черепом мыши мы открыли новый путь для конвергентной технологии нейровизуализации мозга, объединив усилия талантливых людей в физике, жизни и медицине. мозг наука."
Заместитель директора Чой Воншик сказал: «Наш Центр уже давно разработал технологию сверхглубинной биовизуализации, основанную на физических принципах. Ожидается, что наше нынешнее открытие внесет большой вклад в развитие биомедицинских междисциплинарных исследований, включая нейробиологию и отрасль точной метрологии».
Справочник журнала:
- Ёнхён Джо, Ли Йе Рён, Джин Хи Хон, Дон Ён Ким, Чунхван Квон, Мёнхван Чхве, Мунсок Ким, Воншик Чхве. Визуализация мозга через череп in vivo в видимых длинах волн с помощью адаптивной оптической микроскопии с уменьшением размерности. Наука развивается, 2022; 8 (30) ДОИ: 10.1126/sciadv.abo4366
