Ett nytt optiskt mikroskopsystem som kallas stimulering och avbildningsbaserad funktionell optisk mikroskopi (SIFOM) kan stimulera flera celler samtidigt via en holografisk metod och övervaka cellaktivitet efter stimuleringen med hjälp av 3D-mätningar baserade på fluorescensholografi. Detta system har potentiella tillämpningar som ett verktyg för rekonstruktion av förlorade nervvägar, konstruera artificiella neurala nätverk, och utveckling av livsmedelsresurser. Begreppet SIFOM och genomförbarhetskontrollen publicerades den 1 november Optikbokstäver .

Det finns många optiska tekniker, inklusive faskontrastmikroskopi, fluorescensmikroskopi, multifotonmikroskopi och superupplöst fluorescensmikroskopi. De senaste genombrotten inom optiktekniken har gjort det möjligt för forskare att visualisera cellens ultrafina struktur och deras funktioner in vitro och in vivo. Forskare kan nu använda ljus för att manipulera cellaktivitet, en teknik som kallas optogenetik, genom att använda channelrhodopsin eller andra relaterade proteiner (se figur 1). Dock, den nuvarande optogenetikbaserade ljusstimuleringen som används för att manipulera cellaktivitet är för enkel, med enhetlig exponering med LED eller genom optiska fibrer, så endast en låg cellmanipulation är möjlig.

Denna studie föreslår ett nytt optiskt mikroskopsystem som heter SIFOM (figur 2). SIFOM består av två delfunktioner:3D-observation av celler och 3D-stimulering av celler baserat på digital holografi. Detta är det första mikroskopet som är utrustat med teknik som samtidigt kan utföra 3D-observation och stimulering, och den har potentiella tillämpningar som ett banbrytande verktyg inom biovetenskap. Med hjälp av höghastighets skanningslös fotografering, denna teknik gör det möjligt för oss att få information om flera händelser som inträffar i 3D-utrymme inom en mycket kort tidsram.

Som ett verifieringsexperiment, laget använde lungcancerceller och fluorescerande pärlor med en storlek på cirka 10 mikrometer. De spelade in ett fluorescerande hologram i defokuserat tillstånd från brännpunkten i djupets riktning och uppnådde rekonstruktion av både cellerna och de fluorescerande pärlorna (figur 3).

Under verifieringsexperimentet de kunde observera ljusstimulering för högst fem celler samtidigt. Det maximala antalet stimulerade celler bestäms huvudsakligen eftersom det inte finns tillräckligt med ljuskraft för stimulering. I 2-D (tvådimensionellt) utrymme, det förväntas att samtidig ljusstimulering är möjlig för över 100 celler, och i framtiden, laget siktar på att utöka stimuleringsdjupet till några hundra mikrometer med hjälp av tvåfotonstimulering.

För att observera levande celler, det finns en gräns för fluorescensens effekt för att undvika att skada celler, så högkänsliga mätningar krävs. Teamet syftar till att övervinna dessa problem och förbereda det nya optiska mikroskopisystemet för praktisk användning. Professor Matoba kommenterar, "Vi har ett forskningsbidrag från JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Japan för att tillverka en SIFOM och sedan tillämpa den på vidareutveckling av neurovetenskap. Vi kommer att samarbeta med företag för att introducera det nya optiska mikroskopet på den kommersiella marknaden. "