Компенсація спричинених зразком оптичних аберацій має вирішальне значення для візуалізації мікроскопічних структур глибоко в біологічних тканинах. Однак сильне багаторазове розсіювання обмежує здатність виявляти та виправляти помилки, викликані тканинами.
Отже, щоб отримати зображення глибоких тканин із високою роздільною здатністю, важливо видалити багаторазово розсіяні хвилі та збільшити відношення одноразово розсіяних хвиль. Вчені на чолі з заступником директора ЧОІ Воншиком з Центру молекулярної спектроскопії та динаміки Інституту фундаментальної науки, професором КІМ Мунсоком з Католицького університету Кореї та професором ЧОІ Мюнхваном з Сеульського національного університету розробили новий тип голографічного мікроскопа, щоб побачити крізь череп і зобразити мозок.
Новий мікроскоп може «бачити наскрізь» непошкоджений череп і здатний створювати 3D-зображення високої роздільної здатності нейронної мережі в мозку живої миші, не видаляючи череп.
У 2019 році вчені с IBS– вперше розробив високошвидкісний голографічний мікроскоп із роздільною здатністю в часі, який може усунути багаторазове розсіювання. Одночасно він вимірює амплітуду і фазу світла.
Використовуючи мікроскоп, вони могли спостерігати за нейронною мережею живої риби без хірургічного втручання. Однак було важко отримати зображення мозку миші за допомогою нейронної мережі, оскільки череп миші товщі, ніж череп риби.
Команда дослідників змогла кількісно проаналізувати, як взаємодіють світло та речовина, що дозволило їм продовжити розвиток свого попереднього мікроскопа. У цьому недавньому дослідженні повідомляється про успішну розробку надглибинного тривимірного голографічного мікроскопа з роздільною здатністю в часі, який дозволяє спостерігати за тканинами на більшій глибині, ніж будь-коли раніше.
Вчені, зокрема, розробили метод переважного вибору однорозсіяних хвиль, використовуючи той факт, що вони мають схожі форми відбиття, навіть коли світло надходить під різними кутами.
Щоб виявити режим резонансу, який оптимізує конструктивну інтерференцію (перешкоду, яка виникає, коли хвилі однієї фази перекриваються), використовується складний алгоритм і чисельна операція, що досліджує власну моду середовища (окрема хвиля, яка розподіляє світлову енергію в середовищі). Це дозволило новому мікроскопу вибірково відфільтрувати небажані сигнали, зосередивши на волокнах мозку більш ніж у 80 разів більше світлової енергії, ніж раніше. Це дозволило збільшити відношення одноразово розсіяних хвиль до багаторазово розсіяних хвиль на декілька порядків.
Далі вчені перевірили цю технологію, спостерігаючи за мозком миші. Навіть на глибині, де використання сучасних технологій раніше було неможливим, спотворення хвильового фронту можна було виправити за допомогою мікроскопа. Новий мікроскоп успішно зробив зображення нейронної мережі мозку миші під черепом у високій роздільній здатності. Все це було зроблено у видимій довжині хвилі без виймання черепа миші та без використання флуоресцентного маркера.
Професор Кім Мунсок і доктор Джо Йонхьон, які розробили основу голографічного мікроскопа, сказали: «Коли ми вперше спостерігали оптичний резонанс складних середовищ, нашій роботі привернули велику увагу науковці. Від основних принципів до практичного застосування спостереження за нейронною мережею під черепом миші, ми відкрили новий шлях для конвергентної технології нейровізуалізації мозку, об’єднавши зусилля талановитих людей у галузі фізики, життя та мозок наука ".
Заступник директора ЧОЙ Воншик сказав: «Протягом тривалого часу наш Центр розробляв технологію надглибинної біовізуалізації, яка використовує фізичні принципи. Очікується, що наше відкриття значною мірою сприятиме розвитку біомедичних міждисциплінарних досліджень, включаючи нейронауку та індустрію точної метрології».
Довідка з журналу:
- Йонхьон Джо, Є-Рьонг Лі, Джин Хі Хонг, Донг-Йонг Кім, Джунхван Квон, Мюнхван Чой, Мунсок Кім, Воншик Чой. Зображення головного мозку через череп in vivo у видимих довжинах хвиль за допомогою адаптивно-оптичної мікроскопії зі зменшенням розмірності. Наука розвивається, 2022; 8 (30) DOI: 10.1126/sciadv.abo4366
