Een nieuw optisch microscoopsysteem genaamd stimulatie en op beeld gebaseerde functionele optische microscopie (SIFOM) kan meerdere cellen tegelijkertijd stimuleren via een holografische methode en celactiviteit volgen na de stimulatie met behulp van 3D-metingen op basis van fluorescentieholografie. Dit systeem heeft potentiële toepassingen als hulpmiddel voor de reconstructie van verloren zenuwbanen, het aanleggen van kunstmatige neurale netwerken, en ontwikkeling van voedselbronnen. Het concept van SIFOM en de haalbaarheidscheck zijn op 1 november gepubliceerd in Optica Letters .

Er zijn veel optische technieken, inclusief fasecontrastmicroscopie, fluorescentiemicroscopie, multi-fotonmicroscopie en super-opgeloste fluorescentiemicroscopie. Recente doorbraken in optische technologie hebben wetenschappers in staat gesteld om de ultrafijne structuur van cellen en hun functies in vitro en in vivo te visualiseren. Onderzoekers kunnen nu licht gebruiken om celactiviteit te manipuleren, een techniek genaamd optogenetica, door channelrhodopsine of andere verwante eiwitten te gebruiken (zie figuur 1). Echter, de huidige optogenetica gebaseerde lichtstimulatie die wordt gebruikt om celactiviteit te manipuleren is te eenvoudig, met behulp van uniforme belichting door LED of door optische vezels, dus slechts een laag niveau van celmanipulatie is mogelijk.

Deze studie stelt een nieuw optisch microscoopsysteem voor, SIFOM genaamd (figuur 2). De SIFOM bestaat uit twee deelfuncties:3D-observatie van cellen en 3D-stimulatie van cellen op basis van digitale holografie. Dit is de eerste microscoop die is uitgerust met technologie die tegelijkertijd 3D-observatie en stimulatie kan uitvoeren, en het heeft potentiële toepassingen als baanbrekend instrument in de levenswetenschappen. Met behulp van snelle scanloze fotografie, deze technologie maakt het voor ons mogelijk om binnen een zeer kort tijdsbestek informatie te verkrijgen over meerdere gebeurtenissen die plaatsvinden in de 3D-ruimte.

Als verificatie-experiment het team gebruikte longkankercellen en fluorescerende kralen van ongeveer 10 micrometer groot. Ze namen een fluorescerend hologram op in een onscherpe staat vanuit de brandpuntspositie in de richting van de diepte en bereikten een reconstructie van zowel de cellen als de fluorescerende kralen (figuur 3).

Tijdens het verificatie-experiment ze waren in staat om lichtstimulatie voor maximaal vijf cellen tegelijk te observeren. Het maximale aantal gestimuleerde cellen wordt voornamelijk bepaald omdat er onvoldoende lichtkracht is voor stimulatie. In 2-D (tweedimensionale) ruimte, naar verwachting is gelijktijdige lichtstimulatie mogelijk voor meer dan 100 cellen, en in de toekomst, het team wil de stimulatiediepte uitbreiden tot enkele honderden micrometers met behulp van twee-fotonstimulatie.

Om levende cellen te observeren, er is een grens aan de kracht van de fluorescentie om beschadiging van cellen te voorkomen, dus metingen met een hoge gevoeligheid zijn vereist. Het team wil deze problemen oplossen en het nieuwe optische microscopiesysteem voorbereiden voor praktisch gebruik. Professor Matoba merkt op, "We hebben een onderzoeksbeurs van JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Japan om een ​​SIFOM te fabriceren en deze vervolgens toe te passen op de verdere ontwikkeling van neurowetenschappen. We gaan samenwerken met bedrijven om de nieuwe optische microscoop op de commerciële markt te introduceren."