Genom att använda nära-infrarött ljus med lång våglängd, forskare vid UC Davis utvecklade en etikettfri mikroskopimetod som uppnår en unik kombination av djup, hög upplösning, och minimalt invasiv hjärnavbildning. Tekniken avbildar neuroner och axonal myelinisering över musens neocortex och vissa sub-kortikala regioner, genom den förtunnade skallen. Nu kan studier av hjärnsjukdomar genomföras djupt i mushjärnan genom ett minimalt invasivt och enkelt kirurgiskt preparat.

Sjukdomar i centrala nervsystemet (CNS) som Alzheimers sjukdom (AD) manifesterar sig tidigt på mikroskopisk (dvs cellulär) nivå, djupt i hjärnan. Än, optiska mikroskop som kan se celler i den levande hjärnan är ytliga eller invasiva. Helhjärnavbildningstekniker som magnetisk resonanstomografi är djupa och icke-invasiva, men saknar cellulär upplösning.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av professor Vivek J. Srinivasan från avdelningarna för oftalmologi och radiologi och Tech4Health Institute, NYU Langone Health, USA, och medarbetare har utvecklat en etikettfri optisk mikroskopi-metod som har en unik förmåga att avbilda djupa, med hög upplösning och minimal invasivitet. Specifikt, de demonstrerade en in vivo hög numerisk apertur optisk koherensmikroskopi (OCM) tillvägagångssätt som använder 1700 nm vattenabsorptionsfönster, där dämpning av ljus genom spridning och absorption minimeras.

Vattenabsorptionsfönstret på 1700 nm, även känt som det tredje nära-infraröda (NIR) fönstret, har ett minimum av lokal vattenabsorption och relativt låg spridning. I OCM, ett bredare spektrum ger en finare axiell upplösning, och med det, en starkare förmåga att avvisa multiplicera spritt ljus som orsakar oskärpa. Men hela fönstret på 1700 nm, som sträcker sig från 1560 till 1820 nm, används ofta inte:

"Övergången från standardvåglängder till 1700 nm OCM, samtidigt som man använder hela vattenabsorptionsfönstret optimalt (inte bara en del av fönstret), har varit mycket svårt hittills på grund av de många optiska tekniska utmaningarna, " nämnde forskarna.

Dessa utmaningar inkluderar bullriga detektorer och ljuskällor, kraftig kromatisk dispersion, och brist på standardiserade optiska komponenter. Forskarna tog upp dessa problem genom valet av en superkontinuumljuskälla med låg brus, en anpassad numerisk spridningskompensationsmetod, och design av optiska system. Med dessa tekniska framsteg, neuronal cell och myelinarkitektur över hela djupet av musens neocortex, och vissa sub-kortikala regioner, kan avbildas genom ett förtunnat skallpreparat som bevarar intrakraniellt utrymme.

"Resultaten representerar oöverträffade djup för cellulär hjärnavbildning genom ett minimalt invasivt preparat. Därefter undersökte vi 5xFAD-musmodellen för Alzheimers sjukdom (AD), som förväntas visa en gradering av patologi med kortikalt djup. Avbildningsresultaten bekräftade uppkomsten av allvarlig patologi i djup men inte ytlig cortex, som skulle missas av mer ytliga bildtekniker."

En annan viktig egenskap hos metoden är att bildkontrasten uppstår från själva hjärnans inneboende egenskaper. OCM kräver inte transgena möss eller administrering av föreningar. Förlust av nervceller, demyelinisering av axoner, plack, och lokala vävnadsförändringar kan alla avbildas.

"Nu kan sjukdom visualiseras djupt i mushjärnan med en enkel kirurgisk förberedelse, utan exogen märkning. Det optiska fönstret på 1700 nm kan också kvantifiera vävnadsvatten och lipidinnehåll in vivo, som kan ge ytterligare insikter om sjukdomsprogression, ", förutspår forskarna.