Et nyt holografisk mikroskop gør det muligt for videnskabsmænd at se gennem kraniet og afbilde musehjernen

Forskere ledet af Associate Director Choi Wonshik fra Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inden for Institute for Basic Science, professor Kim Moonseok fra The Catholic University of Korea og professor Choi Myunghwan fra Seoul National University udviklede en ny type holografisk mikroskop. Det siges, at det nye mikroskop kan "se gennem" det intakte kranium, og er i stand til højopløsnings 3D-billeddannelse af det neurale netværk i en levende musehjerne uden at fjerne kraniet.

For at undersøge de indre træk ved en levende organisme ved hjælp af lys, er det nødvendigt at A) levere tilstrækkelig lysenergi til prøven og B) nøjagtigt måle signalet, der reflekteres fra målvævet. I levende væv har der dog tendens til flere spredningseffekter og alvorlige aberrationer, når lys rammer cellerne, hvilket gør det vanskeligt at få skarpe billeder.

I komplekse strukturer, såsom levende væv, gennemgår lys multipel spredning, hvilket får fotonerne til tilfældigt at ændre deres retning flere gange, når de rejser gennem vævet. På grund af denne proces bliver meget af billedinformationen, som lyset bærer, ødelagt. Men selvom det er en meget lille mængde reflekteret lys, er det muligt at observere de funktioner, der er placeret relativt dybt inde i vævene, ved at korrigere bølgefrontforvrængningen af ​​lyset, der blev reflekteret fra målet, der skulle observeres. Alligevel forstyrrer de ovennævnte multiple spredningseffekter denne korrektionsproces. For at opnå et dybt vævsbillede i høj opløsning er det derfor vigtigt at fjerne de flerdelte spredte bølger og øge forholdet mellem de enkeltspredte bølger.

I 2019 udviklede IBS-forskerne det højhastigheds-tidsopløste holografiske mikroskop, der kan eliminere flere spredninger og samtidig måle lysets amplitude og fase. De brugte dette mikroskop til at observere det neurale netværk af levende fisk uden snitkirurgi. Men i tilfælde af en mus, som har et tykkere kranium end en fisk, var det ikke muligt at få et neuralt netværksbillede af hjernen uden at fjerne eller udtynde kraniet på grund af alvorlig lysforvrængning og multipel spredning, der opstod, når lys bevæger sig gennem knoglestrukturen.

Forskerholdet formåede at analysere interaktionen mellem lys og stof kvantitativt, hvilket gjorde det muligt for dem at forbedre deres tidligere mikroskop yderligere. I denne nylige undersøgelse rapporterede de om den vellykkede udvikling af et superdybdegående, tredimensionelt tidsopløst holografisk mikroskop, der gør det muligt at observere væv til en større dybde end nogensinde før.

Specifikt udtænkte forskerne en metode til fortrinsvis at vælge enkelt-spredte bølger ved at drage fordel af det faktum, at de har lignende reflektionsbølgeformer, selv når lys er input fra forskellige vinkler. Dette blev gjort ved hjælp af en kompleks algoritme og en numerisk operation, der analyserer egentilstanden af ​​et medium (en unik bølge, der leverer lysenergi ind i et medium), hvilket gør det muligt at finde en resonanstilstand, der maksimerer konstruktiv interferens (interferens, der opstår, når bølger af samme faseoverlap) mellem lysbølgefronter. Dette gjorde det muligt for det nye mikroskop at fokusere mere end 80 gange lysenergien på neurale fibre end før, samtidig med at det selektivt fjernede unødvendige signaler. Dette gjorde det muligt at øge forholdet mellem enkelt-spredte bølger og multiple-spredte bølger med flere størrelsesordener.

Forskerholdet fortsatte demonstrationen af ​​denne nye teknologi ved at observere musehjernen. Mikroskopet var i stand til at korrigere bølgefrontsforvrængningen selv på en dybde, der tidligere var umulig ved brug af eksisterende teknologi. Det lykkedes med det nye mikroskop at få et billede i høj opløsning af musehjernens neurale netværk under kraniet. Dette blev alt sammen opnået i den synlige bølgelængde uden at fjerne musekraniet og uden at kræve et fluorescerende mærke.

Professor Kim Moonseok og Dr. Jo Yonghyeon, som har udviklet grundlaget for det holografiske mikroskop, sagde:"Da vi første gang observerede den optiske resonans af komplekse medier, fik vores arbejde stor opmærksomhed fra den akademiske verden. Fra grundlæggende principper til praktisk anvendelse af observation af neurale netværk under musekraniet, har vi åbnet en ny måde for hjerneneuroimaging konvergent teknologi ved at kombinere indsatsen fra talentfulde mennesker inden for fysik, liv og hjernevidenskab."

Associate Director Choi Wonshik sagde:"Vores center har i lang tid udviklet superdybdegående biobilledteknologi, der anvender fysiske principper. Det forventes, at vores nuværende fund i høj grad vil bidrage til udviklingen af ​​biomedicinsk tværfaglig forskning, herunder neurovidenskab og præcisionsindustrien. metrologi."

Denne forskning blev offentliggjort i online-udgaven af ​​tidsskriftet Science Advances den 28. juli. + Udforsk yderligere

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