Kredit:CC0 Public Domain
For at skabe høj opløsning, 3D -billeder af væv såsom hjernen, forskere bruger ofte to-foton mikroskopi, hvilket indebærer at sigte en højintensitetslaser mod prøven for at fremkalde fluorescens-excitation. Imidlertid, scanning dybt inde i hjernen kan være vanskelig, fordi lyset spredes af væv, når det går dybere, gør billederne slørede.
Billeddannelse med to foton er også tidskrævende, da det normalt kræver at scanne individuelle pixels en ad gangen. Et team af forskere ved MIT og Harvard University har nu udviklet en modificeret version af to-foton-billeddannelse, der kan billedet dybere i væv og udføre billeddannelsen meget hurtigere end det, der tidligere var muligt.
Denne form for billeddannelse kunne give forskere mulighed for hurtigere at få billeder i høj opløsning af strukturer såsom blodkar og individuelle neuroner i hjernen, siger forskerne.
"Ved at ændre laserstrålen, der kommer ind i vævet, vi viste, at vi kan gå dybere, og vi kan lave finere billeddannelse end de tidligere teknikker, "siger Murat Yildirim, en MIT -forsker og en af forfatterne til det nye studie.
MIT -kandidatstuderende Cheng Zheng og tidligere postdoc Jong Kang Park er hovedforfattere af papiret, som vises i dag i Videnskab fremskridt . Dushan N.Wadduwage, en tidligere MIT postdoc, der nu er John Harvard Distinguished Science Fellow in Imaging ved Center for Advanced Imaging ved Harvard University, er papirets seniorforfatter. Andre forfattere omfatter Josiah Boivin, en MIT postdoc; Yi Xue, en tidligere MIT -kandidatstuderende; Mriganka Sur, Newton -professor i neurovidenskab ved MIT; og Peter Så, en MIT -professor i maskinteknik og biologisk teknik.
Dyb billeddannelse
To-foton mikroskopi virker ved at skinne en intens stråle af nær-infrarødt lys på et enkelt punkt i en prøve, inducerer samtidig absorption af to fotoner i brændpunktet, hvor intensiteten er den højeste. Denne lange bølgelængde, lavenergilys kan trænge dybere ind i væv uden at skade det, muliggør billeddannelse under overfladen.
Imidlertid, to-foton excitation genererer billeder ved fluorescens, og det fluorescerende signal er i det synlige spektrale område. Ved billeddannelse dybere i vævsprøver, det fluorescerende lys spredes mere, og billedet bliver sløret. Billeddannelse af mange lag væv er også meget tidskrævende. Brug af bredfeltbilleddannelse, hvor et helt vævsplan belyses på én gang, kan fremskynde processen, men opløsningen i denne tilgang er ikke så stor som punkt-for-punkt scanning.
MIT -teamet ønskede at udvikle en metode, der ville give dem mulighed for at forestille sig en stor vævsprøve på én gang, samtidig med at den høje opløsning af punkt-for-punkt-scanning stadig bevares. For at opnå det, de fandt på en måde at manipulere det lys, de skinner på prøven. De bruger en form for vidfeltmikroskopi, skinner et lysplan ind på vævet, men modificer lysets amplitude, så de kan tænde eller slukke hver pixel på forskellige tidspunkter. Nogle pixels lyser op, mens pixel i nærheden forbliver mørke, og dette foruddesignede mønster kan detekteres i lyset spredt af vævet.
"Vi kan tænde eller slukke hver pixel ved denne form for modulering, "Siger Zheng." Hvis vi slukker nogle af pletterne, der skaber plads omkring hver pixel, så nu kan vi vide, hvad der sker på hvert enkelt sted. "
Efter at forskerne har fået de rå billeder, de rekonstruerer hver pixel ved hjælp af en computeralgoritme, som de har oprettet.
"Vi kontrollerer lysets form, og vi får responsen fra vævet. Fra disse svar, vi forsøger at løse, hvilken slags spredning vævet har. Når vi gør rekonstruktionerne fra vores råbilleder, vi kan få mange oplysninger, som du ikke kan se i de rå billeder, "Siger Yildirim.
Ved hjælp af denne teknik, forskerne viste, at de kunne forestille sig omkring 200 mikron dybt i skiver af muskel- og nyrevæv, og omkring 300 mikron i musens hjerner. Det er omtrent dobbelt så dybt som muligt uden denne mønstrede excitation og beregningsmæssige rekonstruktion, Siger Yildirim. Teknikken kan også generere billeder omkring 100 til 1, 000 gange hurtigere end konventionel to-foton mikroskopi.
Hjernestruktur
Denne type billeddannelse bør give forskere mulighed for hurtigere at få billeder i høj opløsning af neuroner i hjernen, samt andre strukturer såsom blodkar. Billeddannelse af blodkar i musens hjerner kan være særligt nyttig til at lære mere om, hvordan blodgennemstrømningen påvirkes af neurodegenerative sygdomme som Alzheimers, Siger Yildirim.
"Alle undersøgelser af blodgennemstrømning eller morfologi i blodkarstrukturerne er baseret på to-foton eller tre-foton-scanningssystemer, så de er langsomme, "siger han." Ved at bruge denne teknologi, vi kan virkelig udføre højhastigheds volumetrisk billeddannelse af blodgennemstrømning og blodkarstruktur for at forstå ændringerne i blodgennemstrømningen. "
Teknikken kan også bruges til at måle neuronal aktivitet, ved at tilføje spændingsfølsomme fluorescerende farvestoffer eller fluorescerende calciumprober, der lyser, når neuroner er spændte. Det kan også være nyttigt til analyse af andre typer væv, herunder tumorer, hvor det kunne bruges til at bestemme kanterne af en tumor.
Sidste artikelQuantum laser gør energitab til gevinst
Næste artikelNye ledetråde til, hvorfor der er så lidt antistof i universet