Icke-invasiva mikroskopiska tekniker såsom optisk koherensmikroskopi och tvåfotonmikroskopi används vanligtvis för in vivo-avbildning av levande vävnader. När ljus passerar genom grumliga material som biologiska vävnader, två typer av ljus genereras:ballistiska fotoner och multiplicerade spridda fotoner. De ballistiska fotonerna rör sig rakt genom objektet utan att uppleva någon avböjning och används därför för att rekonstruera objektbilden. Å andra sidan, de multipla spridda fotonerna genereras via slumpmässiga avböjningar när ljuset passerar genom materialet och visar sig som fläckbrus i den rekonstruerade bilden. När ljuset sprider sig genom ökande avstånd, förhållandet mellan multipla spridda och ballistiska fotoner ökar drastiskt, för att dölja bildinformationen. Förutom bruset som genereras av det mångfaldiga spridda ljuset, optisk aberration av ballistiskt ljus orsakar också kontrastreduktion och bildskärpa under bildåteruppbyggnadsprocessen.

Benvävnader i synnerhet har många komplexa inre strukturer, som orsakar allvarliga multipla ljusspridningar och komplexa optiska avvikelser. När det gäller optisk avbildning av mushjärnan genom en intakt skalle, de fina strukturerna i nervsystemet är svåra att visualisera på grund av starkt fläckbrus och bildförvrängning. Detta är problematiskt inom neurovetenskaplig forskning, där musen används flitigt som modellorganism. På grund av begränsningen av de för närvarande använda bildteknikerna, skallen måste avlägsnas eller gallras för att mikroskopiskt undersöka de neurala nätverken av hjärnvävnader under.

Därför har andra lösningar föreslagits för att uppnå djupare avbildning av levande vävnader. Till exempel, tre-foton mikroskopi har framgångsrikt använts för att avbilda neuroner under musskallen under de senaste åren. Dock, tre-fotonmikroskopi begränsas av en låg laserrepetitionshastighet eftersom den använder ett excitationsfönster i det infraröda området, som kan skada levande vävnad under in vivo -avbildning. Det har också överdriven excitationskraft, vilket innebär att fotoblekning är mer omfattande jämfört med tvåfotonmetoden.

Nyligen, ett forskargrupp som leds av prof. Choi Wonshik vid Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inom Institute of Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea gjorde ett stort genombrott inom optisk avbildning med djup vävnad. De utvecklade ett nytt optiskt mikroskop som kan avbilda genom en intakt musskalle och förvärva en mikroskopisk karta över neurala nätverk i hjärnvävnader utan att förlora rumslig upplösning.

Detta nya mikroskop kallas ett "reflektionsmatrismikroskop, 'och det kombinerar krafterna hos både hårdvara och beräkningsmässig adaptiv optik (AO), som är en teknik som ursprungligen utvecklats för markbaserad astronomi för att korrigera optiska avvikelser. Medan ett konventionellt konfokalt mikroskop endast mäter reflektionssignalen vid belysningens fokuspunkt och slänger allt ur fokusljus, reflektionsmatrismikroskopet registrerar alla de spridda fotonerna vid andra positioner än brännpunkten. De spridda fotonerna korrigeras sedan beräkningsmässigt med användning av en ny AO-algoritm som kallas sluten ackumulering av enkel spridning (KLASS), som teamet utvecklade redan 2017. Algoritmen utnyttjar allt spritt ljus för att selektivt extrahera ballistiskt ljus och korrigera allvarlig optisk aberration. Jämfört med de flesta konventionella AO -mikroskopisystem, som kräver ljusa punktliknande reflektorer eller fluorescerande föremål som guidestjärnor på samma sätt som användningen av AO i astronomi, reflektionsmatrismikroskopet fungerar utan någon fluorescerande märkning och utan att bero på målets strukturer. Dessutom, Antalet aberrationslägen som kan korrigeras är mer än tio gånger större än för konventionella AO -system.

Reflektionsmatrismikroskopet har en stor fördel genom att det kan kombineras direkt med ett konventionellt tvåfotonmikroskop som redan används i stor utsträckning inom life science-området. För att ta bort den aberration som uppstår av excitationsstrålen i tvåfotonmikroskopet, laget använde hårdvarubaserad adaptiv optik i reflektionsmatrismikroskopet för att motverka aberration av musskallen. De visade upp det nya mikroskopets möjligheter genom att ta tvåfotonfluorescensbilder av en dendritisk ryggrad i ett neuron bakom musskallen, med en rumslig upplösning nära diffraktionsgränsen. Normalt kan ett konventionellt tvåfotonmikroskop inte lösa den känsliga strukturen hos dendritryggen utan att helt ta bort hjärnvävnaden från skallen. Detta är en mycket viktig prestation, som den sydkoreanska gruppen demonstrerade den första högupplösta avbildningen av neurala nätverk genom en intakt musskalle. Detta innebär att det nu är möjligt att undersöka mushjärnan i dess mest infödda tillstånd.

Forskningsprofessor Yoon Seokchan och doktorand Lee Hojun, som genomförde studien, sa, "Genom att korrigera vågfrontsförvrängningen, vi kan fokusera ljusenergin på önskad plats inuti den levande vävnaden ... Vårt mikroskop låter oss undersöka fina inre strukturer djupt inne i levande vävnader som inte kan lösas på något annat sätt. Detta kommer att hjälpa oss mycket i tidig diagnos av sjukdomar och påskynda neurovetenskaplig forskning. "

Forskarna bestämmer sin nästa forskningsriktning för att minimera mikroskopets formfaktor och öka dess bildhastighet. Målet är att utveckla ett etikettfritt reflekterande matrismikroskop med högt bilddjup för användning på kliniker.

Vice direktör Choi Wonshik sa:"Reflexionsmatrismikroskopet är nästa generations teknik som går utöver begränsningarna för konventionella optiska mikroskop. Detta gör att vi kan vidga vår förståelse av ljusutbredning genom spridningsmedier och utöka tillämpningsområdet som ett optiskt mikroskop kan utforska."