Компенсация оптических аберраций, вызванных образцом, имеет решающее значение для визуализации микроскопических структур глубоко в биологических тканях. Однако сильное множественное рассеяние ограничивает возможность обнаружения и устранения ошибок, вызванных тканями.
Следовательно, для получения изображения глубоких тканей с высоким разрешением необходимо удалить многократно рассеянные волны и увеличить соотношение однократно рассеянных волн. Ученые во главе с заместителем директора Чой Воншиком из Центра молекулярной спектроскопии и динамики Института фундаментальных наук, профессором Ким Мунсоком из Католического университета Кореи и профессором Чой Мёнхван из Сеульского национального университета разработали новый тип голографического микроскопа. видеть сквозь череп и представлять себе мозг.
Новый микроскоп позволяет «видеть насквозь» неповрежденный череп и способен получать трехмерные изображения с высоким разрешением нейронной сети в мозге живой мыши без удаления черепа.
В 2019 году ученые из СРК– впервые разработан высокоскоростной голографический микроскоп с временным разрешением, способный исключить многократное рассеяние. В то же время он измеряет амплитуду и фазу света.
С помощью микроскопа они могли наблюдать за нейронной сетью живой рыбы без хирургического вмешательства. Однако было сложно получить нейросетевое изображение мозга мышей, поскольку череп мыши толще, чем у рыбы.
Исследовательская группа смогла количественно проанализировать, как взаимодействуют свет и материя, что позволило им усовершенствовать свой более ранний микроскоп. В этом недавнем исследовании сообщается об успешной разработке сверхглубинного трехмерного голографического микроскопа с временным разрешением, который позволяет наблюдать за тканями на большей глубине, чем когда-либо прежде.
Ученые, в частности, разработали метод предпочтительного выбора однократно рассеянных волн, используя тот факт, что они имеют схожие формы отражения даже при попадании света под разными углами.
Чтобы обнаружить резонансную моду, которая оптимизирует конструктивную интерференцию (интерференция, возникающая при перекрытии волн одной фазы), используется сложный алгоритм и численная операция, исследующая собственную моду среды (отдельная волна, которая распределяет световую энергию в среде). Это позволило новому микроскопу выборочно отфильтровывать нежелательные сигналы, фокусируя в 80 раз больше световой энергии на волокнах мозга, чем раньше. Это позволило на несколько порядков увеличить отношение однократно рассеянных волн к многократно рассеянным.
Затем ученые проверили технологию, наблюдая за мозгом мыши. Даже на глубине, где использование современных технологий было невозможно, искажение волнового фронта можно было исправить с помощью микроскопа. Новый микроскоп успешно отобразил нейронную сеть мозга мыши под черепом в высоком разрешении. Все это было выполнено в видимом диапазоне длин волн без извлечения черепа мыши и без использования флуоресцентного маркера.
Профессор КИМ Мунсок и доктор Джо Йонхён, 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 области физики, жизни и мозг наука.”
Заместитель директора Чой Воншик сказал: «Уже долгое время наш Центр разрабатывает технологию сверхглубокой биовизуализации, использующую физические принципы. Ожидается, что наше настоящее открытие внесет большой вклад в развитие биомедицинских междисциплинарных исследований, включая нейробиологию и индустрию точной метрологии».
Ссылка на журнал:
- Ёнхён Джо, Е-Рён Ли, Джин Хи Хон, Дон-Ён Ким, Чунхван Квон, Мёнхван Чой, Мунсок Ким, Воншик Чой. Визуализация мозга через череп in vivo в видимом диапазоне длин волн с помощью адаптивно-оптической микроскопии с уменьшением размерности. Научные достижения, 2022; 8 (30) ДОИ: 10.1126/sciadv.abo4366
