В частности, костные ткани имеют множество сложных внутренних структур, которые вызывают сильное многократное рассеяние света и сложные оптические аберрации. Когда дело доходит до оптического изображения мозга мыши через неповрежденный череп, тонкие структуры нервной системы трудно визуализировать из-за сильного спекл-шума и искажения изображения. Это проблематично в исследованиях нейробиологии, где мышь широко используется в качестве модельного организма. Из-за ограничений используемых в настоящее время методов визуализации череп необходимо удалить или истончить, чтобы микроскопически исследовать нейронные сети тканей головного мозга под ним.
Следовательно, были предложены другие решения для достижения более глубокого изображения живых тканей. Например, в последние годы трехфотонная микроскопия успешно использовалась для изображения нейронов под черепом мыши. Однако трехфотонная микроскопия ограничена низкой частотой повторения лазерных лучей, поскольку в ней используется окно возбуждения в инфракрасном диапазоне, которое может повредить живую ткань во время визуализации in vivo. Он также имеет чрезмерную мощность возбуждения, что означает более обширное фотообесцвечивание по сравнению с двухфотонным подходом.
Недавно исследовательская группа под руководством проф. Чой Воншик из Центра молекулярной спектроскопии и динамики Института фундаментальных наук (IBS) в Сеуле, Южная Корея, совершил крупный прорыв в области оптической визуализации глубоких тканей. Они разработали новый оптический микроскоп, который может снимать изображения через неповрежденный череп мыши и получать микроскопическую карту нейронных сетей в тканях мозга без потери пространственного разрешения.
Этот новый микроскоп, называемый микроскопом с отражающей матрицей, сочетает в себе возможности как аппаратного обеспечения, так и вычислительной адаптивной оптики (AO), которая является технологией, первоначально разработанной для наземной астрономии для коррекции оптических аберраций.
В то время как обычный конфокальный микроскоп измеряет сигнал отражения только в фокусной точке освещения и отбрасывает весь нефокусный свет, микроскоп с отражающей матрицей регистрирует все рассеянные фотоны в положениях, отличных от фокусной точки. Затем рассеянные фотоны корректируются с помощью вычислений с использованием нового алгоритма АО, называемого накоплением однократного рассеяния с обратной связью (CLASS), который команда разработала еще в 2017 году. Алгоритм использует весь рассеянный свет для выборочного извлечения баллистического света и исправления серьезных оптических аберраций. По сравнению с наиболее традиционными системами АО-микроскопии, которым требуются яркие точечные отражатели или флуоресцентные объекты в качестве направляющих звезд, аналогично использованию АО в астрономии, микроскоп с отражательной матрицей работает без какой-либо флуоресцентной маркировки и вне зависимости от структуры цели.
Кроме того, количество режимов аберрации, которые можно исправить, более чем в 10 раз больше, чем у обычных систем AO.
Большим преимуществом микроскопа с отражательной матрицей является то, что его можно напрямую комбинировать с обычным двухфотонным микроскопом, который уже широко используется в области наук о жизни. Чтобы удалить аберрацию, испытываемую возбуждающим лучом двухфотонного микроскопа, команда развернула аппаратную адаптивную оптику в микроскопе с отражающей матрицей, чтобы противодействовать аберрации черепа мыши.
Они продемонстрировали возможности нового микроскопа, сделав двухфотонное флуоресцентное изображение дендритного отростка нейрона позади черепа мыши с пространственным разрешением, близким к дифракционному пределу. Обычно обычный двухфотонный микроскоп не может разрешить хрупкую структуру дендритного шипа без полного удаления ткани мозга из черепа. Это очень важное достижение, поскольку южнокорейская группа продемонстрировала первую визуализацию нейронных сетей с высоким разрешением через неповрежденный череп мыши.
Это означает, что теперь можно исследовать мозг мыши в его наиболее естественных состояниях.
Профессор-исследователь Юн Сокчан и аспирант Ли Ходжун, которые проводили исследование, сказали: «Корректируя искажение волнового фронта, мы можем фокусировать световую энергию в желаемом месте внутри живой ткани.«Наш микроскоп позволяет нам исследовать тонкие внутренние структуры глубоко в живых тканях, которые не могут быть разрешены никакими другими способами.
Это очень поможет нам в ранней диагностике заболеваний и ускорит исследования в области нейробиологии."
Исследователи определили свое следующее направление исследований, чтобы минимизировать форм-фактор микроскопа и увеличить скорость получения изображений.
Целью является разработка микроскопа с отражающей матрицей без этикеток с большой глубиной визуализации для использования в клиниках.
Заместитель директора Чой Воншик сказал: «Отражательный матричный микроскоп – это технология следующего поколения, которая выходит за рамки ограничений обычных оптических микроскопов. Это позволит нам расширить наше понимание распространения света через рассеивающие среды и расширить область применения, которую может исследовать оптический микроскоп."