Figur 1. Superdjupt 3D holografiskt mikroskopEtt superdjupt 3D holografiskt mikroskop utvecklat av forskare vid IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics. Det är möjligt att observera det neurala nätverket av levande organismer genom att öka det optiska signalförhållandet och öka bildupptagningshastigheten och djupet. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Forskare ledda av biträdande direktör Choi Wonshik vid Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics inom Institutet för grundläggande vetenskap, professor Kim Moonseok från The Catholic University of Korea och professor Choi Myunghwan från Seoul National University utvecklade en ny typ av holografiskt mikroskop. Det sägs att det nya mikroskopet kan "se igenom" den intakta skallen och är kapabel till högupplöst 3D-avbildning av det neurala nätverket i en levande mushjärna utan att ta bort skallen.
För att granska de inre egenskaperna hos en levande organism med hjälp av ljus, är det nödvändigt att A) leverera tillräcklig ljusenergi till provet och B) noggrant mäta signalen som reflekteras från målvävnaden. I levande vävnader tenderar dock multipla spridningseffekter och allvarlig aberration att uppstå när ljus träffar cellerna, vilket gör det svårt att få skarpa bilder.
I komplexa strukturer som levande vävnad genomgår ljus multipel spridning, vilket gör att fotonerna slumpmässigt ändrar sin riktning flera gånger när de färdas genom vävnaden. På grund av denna process blir mycket av bildinformationen som bärs av ljuset förstörd. Men även om det är en mycket liten mängd reflekterat ljus är det möjligt att observera särdragen som är belägna relativt djupt inuti vävnaderna genom att korrigera vågfrontsdistorsionen av ljuset som reflekterades från målet som ska observeras. Ändå stör de ovan nämnda multipla spridningseffekterna denna korrigeringsprocess. För att erhålla en högupplöst bild av djupa vävnader är det därför viktigt att ta bort de multipelspridda vågorna och öka förhållandet mellan de enkelspridda vågorna.
Figur 2. Egenskaper för den reflekterade signalen enligt infallsvinkeln(A) Om objektet är litet eller har en linjär struktur, förblir vågformen för den reflekterade signalen för de enstaka spridda vågorna lika även när infallsvinkeln ändras. (B) Emellertid ändras vågformen för den reflekterade signalen för de multipelspridda vågorna utan likhet även med en liten förändring i infallsvinkeln. Genom att använda dessa inter-vågfrontsegenskaper kan enstaka spridningskomponenter och multipla spridningskomponenter separeras från varandra. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Under 2019 utvecklade IBS-forskarna det höghastighets-tidsupplösta holografiska mikroskopet som kan eliminera multipel spridning och samtidigt mäta ljusets amplitud och fas. De använde detta mikroskop för att observera det neurala nätverket av levande fiskar utan snittkirurgi. Men i fallet med en mus som har en tjockare skalle än en fisk, var det inte möjligt att få en bild av hjärnan i neuralt nätverk utan att ta bort eller förtunna skallen, på grund av kraftig ljusförvrängning och multipel spridning som inträffade när ljus färdas genom benstrukturen.
Forskargruppen lyckades kvantitativt analysera interaktionen mellan ljus och materia, vilket gjorde att de kunde förbättra sitt tidigare mikroskop ytterligare. I denna färska studie rapporterade de den framgångsrika utvecklingen av ett superdjupt, tredimensionellt tidsupplöst holografiskt mikroskop som möjliggör observation av vävnader till ett större djup än någonsin tidigare.
Specifikt utarbetade forskarna en metod för att i första hand välja enkelspridda vågor genom att dra fördel av det faktum att de har liknande reflektionsvågformer även när ljus matas in från olika vinklar. Detta gjordes med en komplex algoritm och en numerisk operation som analyserar egenmoden för ett medium (en unik våg som levererar ljusenergi till ett medium), vilket gör det möjligt att hitta ett resonansläge som maximerar konstruktiv interferens (störning som uppstår när vågor av samma fasöverlappning) mellan vågfronter av ljus. Detta gjorde det möjligt för det nya mikroskopet att fokusera mer än 80 gånger ljusenergin på neurala fibrer än tidigare, samtidigt som det selektivt tog bort onödiga signaler. Detta gjorde att förhållandet mellan enkelspridda vågor och multipelspridningsvågor kunde ökas med flera storleksordningar.
Figur 3. Ett neuralt nätverk i hjärnan på en levande mus observerades utan att ta bort skallen (A). Hjärnans neurala nätverk avbildades framgångsrikt med en ljuskälla i det synliga våglängdsområdet. Endast huden på en levande mus togs bort och skallen lämnades intakt. (B) Med den tidigare tekniken var det inte möjligt att korrigera den komplexa aberrationen på grund av de allvarliga multipla spridda vågorna som genererades i skallen, vilket gör det omöjligt att få någon sammanhängande bild. (C) Algoritmen som utvecklats av forskargruppen möjliggjorde dock selektivt avlägsnande av flera spridningskomponenter bland den reflekterade signalen, vilket gör att vågfrontsavvikelsen kan korrigeras. (D) Detta tillät dem att lösa den fina strukturen av neurala fibrer i hjärnan. E, F) Högupplösta projektionsbilder visualiserar osteocyter inuti skallen på musen, som frodas mellan benlager och dura-ämnen och G) neurala nätverk som erhålls med mikroskop. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Forskargruppen fortsatte demonstrationen av denna nya teknik genom att observera mushjärnan. Mikroskopet kunde korrigera vågfrontsförvrängningen även på ett djup som tidigare var omöjligt med befintlig teknik. Det nya mikroskopet lyckades få en högupplöst bild av mushjärnans neurala nätverk under skallen. Allt detta uppnåddes i den synliga våglängden utan att ta bort musskallen och utan att kräva en fluorescerande märkning.
Professor Kim Moonseok och Dr. Jo Yonghyeon, som har utvecklat grunden för det holografiska mikroskopet, sa:"När vi först observerade den optiska resonansen hos komplexa medier fick vårt arbete stor uppmärksamhet från akademin. Från grundläggande principer till praktisk tillämpning av att observera neurala nätverk under musens skalle, har vi öppnat ett nytt sätt för hjärnneuroimaging konvergent teknologi genom att kombinera ansträngningar från begåvade människor inom fysik, liv och hjärnvetenskap."
Biträdande direktör Choi Wonshik sa:"Under en lång tid har vårt center utvecklat superdjup bioavbildningsteknologi som tillämpar fysikaliska principer. Det förväntas att vårt nuvarande fynd i hög grad kommer att bidra till utvecklingen av biomedicinsk tvärvetenskaplig forskning inklusive neurovetenskap och precisionsindustrin. metrologi."
Denna forskning publicerades i onlineupplagan av tidskriften Science Advances den 28 juli. + Utforska vidare
