Forskare har utvecklat ett nytt instrument som har, för första gången, mätte små ljusframkallade deformationer i enskilda stavar och kottar i ett levande mänskligt öga. Den nya metoden kan en dag förbättra upptäckten av näthinnesjukdomar som åldersrelaterad makuladegeneration, en ledande orsak till blindhet hos människor över 55 världen över.

"Vårt instrument erbjuder ett unikt sätt att studera näthinnesjukdom på cellnivå, "sade forskargruppens ledare Ravi Jonnal från University of California Davis (UC Davis) Eye Center." Eftersom befintliga metoder för att mäta dysfunktion är mycket mindre känsliga, det erbjuder ett potentiellt nytt sätt att upptäcka sjukdomar. "

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , Jonnal och kollegor beskriver sitt nya instrument, som är baserad på optisk koherens tomografi (OCT). Med den nya metoden, de kunde mäta hur enskilda stavar och kottar reagerar på ljus, och kunde upptäcka deformationer som var signifikant mindre än den avbildande ljuskällans våglängd.

Arbetet är en del av ett framväxande internationellt forskningsfält som syftar till att utveckla metoder för att helt fånga funktionen hos levande människors retinala neurala krets.

Kombinera avbildningsmetoder

Synen börjar när fotoreceptorer i stång och kon i ögats näthinna detekterar ljus och initierar signaler genom en process som kallas fototransduktion. Näthinnesjukdomar som åldersrelaterad makuladegeneration och retinitis pigmentosa orsakar synförlust genom att störa funktionen hos stavar och kottar.

Eftersom stavar anses vara mer känsliga för effekterna av dessa sjukdomar, förändringar i deras funktion kan ge en tidig indikator på sjukdom eller dess progression. Dock, den lilla storleken på stavarna gör det svårt att avbilda dem, mycket mindre mäta hur väl de fungerar.

I det nya arbetet, forskarna utvecklade ett unikt höghastighets-OCT-system som kan upptäcka lätt svullnad i de yttre segmenten av fotoreceptorerna som uppstår som en bieffekt av fototransduktion. Systemet åstadkommer detta genom att ta specialiserade OCT -bilder samtidigt med skanning av ljusa oftalmoskopbilder, gör det möjligt att identifiera platsen och typen av fotoreceptorer som tagits i en serie med hundratals 3D-OCT-bilder.

"Även om avbildning av svullnad av stavar och kottar kan avslöja dynamiken i deras svar på ljus, tills nyligen, det var inte känt om dessa förändringar kunde mätas in vivo i det mänskliga ögat, "sa Mehdi Azimipour, tidningens första författare. "Detta beror på att storleken på fotoreceptorerna och skalan på de ljusframkallade deformationerna var långt under upplösningarna från retinala bildsystem."

Bildhöghastighetsdynamik

Nyligen, fullfält OCT har använts för att visualisera den ljusframkallade deformationen av större perifera kottar. OCT -systemet som utvecklats av forskarna från UC Davis erbjuder bättre konfokalitet, vilket förbättrar bildkvaliteten genom att avvisa mer spritt ljus och undertrycka tillhörande brus. Eftersom den ljusframkallade deformationen av fotoreceptorer kan vara mycket snabb, det nya systemet innehåller en höghastighets Fourier-domänlägeslåst laser som möjliggör snabb avbildning och kan skanna 16 gånger snabbare än kommersiellt tillgängliga lasrar som används för svept käll-OCT.

För att få bilder med högsta upplösning, forskarna införlivade adaptiv optik -teknik som mäter ögats avvikelser och korrigerar dem i realtid. Även med adaptiv optik, fotoreceptorer är för små för att kunna avbildas på grund av systemets ljuskälla på 1 mikronvåglängd. För att övervinna detta problem, forskarna lade till en scanning light oftalmoscope imaging channel som använder en våglängd som är mindre än 1 mikron för att öka bildupplösningen. Detta möjliggjorde differentiering av stavar och kottar i samregistrerade ULT-bilder.

Forskarna använde sitt nya instrument för att mäta deformationer av stavar och kottar som svar på ljus av varierande intensitet i levande mänskliga ögon. Cellernas svar ökade när ljusintensiteten ökade tills mättnad inträffade, överensstämmer med fototransduktion.

Eftersom det nya instrumentet producerar stora mängder data (3,2 GB/s) över även ett litet synfält, programvara måste utvecklas för att möjliggöra skanning av större områden av näthinnan och automatisk databehandling. Detta skulle göra systemet mer praktiskt för klinisk användning.

Forskarna planerar nu att använda instrumentet för att mäta fotoreceptors ljusrespons hos patienter med näthinnesjukdomar för att se om nya insikter kan fås. "Vi hoppas kunna vara med och använda systemet för att testa nya terapier för bländande sjukdomar, för att påskynda processen med att föra dessa läkemedel till kliniken, sa Azimipour.