Kompensation av provinducerade optiska aberrationer är avgörande för att visualisera mikroskopiska strukturer djupt inne i biologiska vävnader. Stark multipelspridning begränsar dock förmågan att upptäcka och reparera vävnadsinducerade fel.
För att erhålla en högupplöst djupvävnadsbild är det därför viktigt att ta bort de multipelspridda vågorna och öka förhållandet mellan de enkelspridda vågorna. Forskare, ledda av biträdande direktör CHOI Wonshik vid Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inom Institutet för grundläggande vetenskap, professor KIM Moonseok från The Catholic University of Korea och professor CHOI Myunghwan vid Seoul National University utvecklade en ny typ av holografiskt mikroskop, för att se igenom skallen och avbilda hjärna.
Det nya mikroskopet kan "se igenom" den intakta skallen och kan göra högupplöst 3D-avbildning av det neurala nätverket i en levande mushjärna utan att ta bort skallen.
Under 2019, forskare från IBS– för första gången utvecklade det höghastighets-tidsupplösta holografiska mikroskopet som kan eliminera multipel spridning. Samtidigt mäter den ljusets amplitud och fas.
Med hjälp av mikroskopet kunde de observera det neurala nätverket av levande fiskar utan snittkirurgi. Det var dock svårt att få en bild av neurala nätverk av möss hjärna eftersom en muss skalle är tjockare än fiskens.
Studiegruppen kunde kvantitativt analysera hur ljus och materia interagerar, vilket gjorde att de kunde utveckla sitt tidigare mikroskop ytterligare. Denna senaste studie rapporterade den framgångsrika utvecklingen av ett superdjupt, tredimensionellt tidsupplöst holografiskt mikroskop som tillåter observation av vävnader till ett större djup än någonsin tidigare.
Forskare utvecklade specifikt en metod för att i första hand välja enkelspridda vågor genom att dra fördel av det faktum att de har liknande reflektionsvågformer även när ljus matas in från olika vinklar.
För att upptäcka resonansläget som optimerar konstruktiv interferens (interferens som inträffar när vågor av samma fas överlappar varandra), används en komplicerad algoritm och numerisk operation som undersöker egenmoden för ett medium (en distinkt våg som distribuerar ljusenergi till ett medium). Detta gjorde det möjligt för det nya mikroskopet att selektivt filtrera bort oönskade signaler samtidigt som det fokuserade mer än 80 gånger så mycket ljusenergi på hjärnfibrerna som tidigare. Detta gjorde det möjligt att öka förhållandet mellan enkelspridda vågor och multipelspridda vågor med flera storleksordningar.
Forskare testade sedan tekniken genom att observera mushjärnan. Även på ett djup där det tidigare var omöjligt att använda nuvarande teknik, kunde vågfrontsförvrängningen korrigeras med hjälp av mikroskopet. Det nya mikroskopet avbildade framgångsrikt det neuronala nätverket i mushjärnan under skallen i hög upplösning. Allt detta åstadkoms i den synliga våglängden utan att ta ut musens skalle och utan att använda en fluorescerande markör.
Professor KIM Moonseok och Dr. JO Yonghyeon, som har utvecklat grunden för det holografiska mikroskopet, sa: "När vi först observerade den optiska resonansen hos komplexa medier fick vårt arbete stor uppmärksamhet från den akademiska världen. Från grundläggande principer till praktisk tillämpning av att observera det neurala nätverket under musens skalle, har vi öppnat ett nytt sätt för hjärnan neuroimaging konvergerande teknologi genom att kombinera ansträngningar från begåvade människor inom fysik, liv och hjärna vetenskap."
Biträdande direktör CHOI Wonshik sa, "Under lång tid har vårt center utvecklat superdjup bioavbildningsteknik som tillämpar fysikaliska principer. Det förväntas att vårt nuvarande fynd i hög grad kommer att bidra till utvecklingen av biomedicinsk tvärvetenskaplig forskning, inklusive neurovetenskap och industrin för precisionsmetrologi."
Tidskriftsreferens:
- Yonghyeon Jo, Ye-Ryoung Lee, Jin Hee Hong, Dong-Young Kim, Junhwan Kwon, Myunghwan Choi, Moonseok Kim, Wonshik Choi. Hjärnavbildning genom skallen in vivo vid synliga våglängder via adaptiv-optisk mikroskopi med dimensionsreduktion. Vetenskap Förskott2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
