Forskere opfinder en ny type mikroskop, der kan se gennem et intakt kranium

Ikke-invasive mikroskopiske teknikker såsom optisk kohærensmikroskopi og to-fotonmikroskopi bruges almindeligvis til in vivo billeddannelse af levende væv. Når lys passerer gennem grumsete materialer såsom biologiske væv, to typer lys genereres:ballistiske fotoner og multiplicerede spredte fotoner. De ballistiske fotoner bevæger sig lige gennem objektet uden at opleve afbøjning og bruges derfor til at rekonstruere objektbilledet. På den anden side, de flerdobbelte spredte fotoner genereres via tilfældige afbøjninger, når lyset passerer gennem materialet og viser sig som pletterstøj i det rekonstruerede billede. Når lyset forplanter sig gennem stigende afstande, forholdet mellem multipliceret spredte og ballistiske fotoner stiger drastisk, og dermed sløre billedinformationen. Ud over støjen, der genereres af det mangedobbelte spredte lys, optisk aberration af ballistisk lys forårsager også kontrastreduktion og billedsløring under billedrekonstruktionsprocessen.

Især knoglevæv har adskillige komplekse indre strukturer, som forårsager alvorlige multiple lysspredninger og komplekse optiske aberrationer. Når det kommer til optisk billeddannelse af musehjernen gennem et intakt kranium, nervesystemets fine strukturer er svære at visualisere på grund af stærk pletterstøj og billedforvrængning. Dette er problematisk i neurovidenskabelig forskning, hvor musen er meget brugt som modelorganisme. På grund af begrænsningen af ​​de aktuelt anvendte billedbehandlingsteknikker, kraniet skal fjernes eller fortyndes for mikroskopisk at undersøge de neurale netværk af hjernevæv nedenunder.

Derfor er andre løsninger blevet foreslået for at opnå dybere billeddannelse af levende væv. For eksempel, tre-fotonmikroskopi er med succes blevet brugt til at afbilde neuroner under musekraniet i de seneste år. Imidlertid, tre-fotonmikroskopi er begrænset af en lav lasergentagelseshastighed, da den anvender et excitationsvindue i det infrarøde område, som kan beskadige levende væv under in vivo billeddannelse. Det har også overdreven excitationskraft, hvilket betyder, at fotoblegning er mere omfattende i forhold til to-foton-tilgangen.

For nylig, et forskerhold ledet af prof. Choi Wonshik ved Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics i Institute of Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea fik et stort gennembrud inden for optisk billeddannelse af dybt væv. De udviklede et nyt optisk mikroskop, der kan afbilde gennem et intakt musekranie og erhverve et mikroskopisk kort over neurale netværk i hjernevæv uden at miste rumlig opløsning.

Dette nye mikroskop kaldes et 'reflektionsmatrixmikroskop, ' og det kombinerer kræfterne fra både hardware og computational adaptive optics (AO), som er en teknologi, der oprindeligt blev udviklet til jordbaseret astronomi til at korrigere optiske afvigelser. Mens et konventionelt konfokalt mikroskop kun måler refleksionssignal ved belysningens fokuspunkt og kasserer alt ude af fokuslys, refleksionsmatrixmikroskopet registrerer alle de spredte fotoner på andre positioner end brændpunktet. De spredte fotoner korrigeres derefter beregningsmæssigt ved hjælp af en ny AO-algoritme kaldet closed-loop akkumulering af enkelt spredning (CLASS), som holdet udviklede tilbage i 2017. Algoritmen udnytter alt spredt lys til selektivt at udvinde ballistisk lys og korrigere alvorlig optisk aberration. Sammenlignet med de fleste konventionelle AO -mikroskopisystemer, som kræver lyse punktlignende reflektorer eller fluorescerende objekter som ledestjerner på samme måde som brugen af ​​AO i astronomi, Refleksionsmatrixmikroskopet fungerer uden nogen fluorescerende mærkning og uden afhængighed af målets strukturer. Ud over, antallet af aberrationstilstande, der kan korrigeres, er mere end 10 gange større end for konventionelle AO -systemer.

Refleksionsmatrixmikroskopet har en stor fordel ved, at det direkte kan kombineres med et konventionelt to-foton mikroskop, der allerede er meget udbredt inden for life science. For at fjerne aberrationen oplevet af excitationsstrålen fra to-fotonmikroskopet, holdet implementerede hardwarebaseret adaptiv optik i refleksionsmatrixmikroskopet for at modvirke aberrationen af ​​musekraniet. De viste det nye mikroskops muligheder ved at tage to-foton fluorescensbilleder af en dendritisk rygsøjle af en neuron bag musekraniet, med en rumlig opløsning tæt på diffraktionsgrænsen. Normalt kan et konventionelt to-fotonmikroskop ikke løse den sarte struktur af dendritryggen uden helt at fjerne hjernevævet fra kraniet. Dette er en meget betydelig præstation, da den sydkoreanske gruppe demonstrerede den første højopløselige billeddannelse af neurale netværk gennem et intakt musekranie. Det betyder, at det nu er muligt at undersøge musehjernen i dens mest indfødte stater.

Forskningsprofessor Yoon Seokchan og kandidatstuderende Lee Hojun, hvem har udført undersøgelsen, sagde, "Ved at korrigere bølgefrontforvrængningen, vi kan fokusere lysenergi på det ønskede sted inde i det levende væv... Vores mikroskop giver os mulighed for at undersøge fine indre strukturer dybt inde i levende væv, som ikke kan løses på nogen anden måde. Dette vil i høj grad hjælpe os med tidlig sygdomsdiagnose og fremskynde neurovidenskabelig forskning."

Forskerne sætter deres næste forskningsretning for at minimere mikroskopets formfaktor og øge dets billedhastighed. Målet er udviklingen af ​​et mærkefrit reflekterende matrixmikroskop med høj billeddybde til brug i klinikker.

Vicedirektør Choi Wonshik sagde, "Refleksionsmatrixmikroskopet er næste generations teknologi, der går ud over begrænsningerne for konventionelle optiske mikroskoper. Dette vil give os mulighed for at udvide vores forståelse af lysudbredelse gennem spredningsmedier og udvide omfanget af applikationer, som et optisk mikroskop kan udforske."