Niet-invasieve microscopische technieken zoals optische coherentiemicroscopie en twee-fotonenmicroscopie worden vaak gebruikt voor in vivo beeldvorming van levende weefsels. Wanneer licht door troebele materialen gaat, zoals biologische weefsels, er worden twee soorten licht gegenereerd:ballistische fotonen en meervoudig verstrooide fotonen. De ballistische fotonen reizen recht door het object zonder enige afbuiging te ervaren en worden daarom gebruikt om het objectbeeld te reconstrueren. Anderzijds, de meervoudig verstrooide fotonen worden gegenereerd via willekeurige afbuigingen wanneer het licht door het materiaal gaat en verschijnen als spikkelruis in het gereconstrueerde beeld. Naarmate het licht zich over steeds grotere afstanden voortplant, de verhouding tussen meervoudig verstrooide en ballistische fotonen neemt drastisch toe, waardoor de beeldinformatie wordt verdoezeld. Naast de ruis die wordt gegenereerd door het meervoudig verstrooide licht, optische aberratie van ballistisch licht veroorzaakt ook contrastvermindering en beeldwaas tijdens het beeldreconstructieproces.

Vooral botweefsels hebben talrijke complexe interne structuren, die ernstige meervoudige lichtverstrooiing en complexe optische aberraties veroorzaken. Als het gaat om optische beeldvorming van het muizenbrein door een intacte schedel, de fijne structuren van het zenuwstelsel zijn door sterke spikkelruis en beeldvervorming moeilijk te visualiseren. Dit is problematisch in neurowetenschappelijk onderzoek, waar de muis veel wordt gebruikt als modelorganisme. Vanwege de beperking van de momenteel gebruikte beeldvormingstechnieken, de schedel moet worden verwijderd of uitgedund om de neurale netwerken van hersenweefsel eronder microscopisch te onderzoeken.

Vandaar dat andere oplossingen zijn voorgesteld om diepere beeldvorming van levende weefsels te bereiken. Bijvoorbeeld, drie-fotonenmicroscopie is de afgelopen jaren met succes gebruikt om neuronen onder de muisschedel in beeld te brengen. Echter, drie-fotonenmicroscopie wordt beperkt door een lage laserherhalingssnelheid omdat het een excitatievenster in het infraroodbereik gebruikt, die levend weefsel kunnen beschadigen tijdens in vivo beeldvorming. Het heeft ook overmatige excitatiekracht, wat betekent dat fotobleken uitgebreider is in vergelijking met de twee-fotonbenadering.

Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Choi Wonshik bij het Centrum voor Moleculaire Spectroscopie en Dynamica binnen het Institute of Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea heeft een grote doorbraak bereikt op het gebied van optische beeldvorming van diep weefsel. Ze ontwikkelden een nieuwe optische microscoop die beeld kan vormen door een intacte muisschedel en een microscopische kaart van neurale netwerken in hersenweefsels kan verkrijgen zonder de ruimtelijke resolutie te verliezen.

Deze nieuwe microscoop wordt een 'reflectiematrixmicroscoop' genoemd, ' en het combineert de krachten van zowel hardware als computationele adaptieve optica (AO), dat is een technologie die oorspronkelijk is ontwikkeld voor astronomie op de grond om optische aberraties te corrigeren. Terwijl een conventionele confocale microscoop het reflectiesignaal alleen meet in het brandpunt van de verlichting en al het onscherpe licht weggooit, de reflectiematrixmicroscoop registreert alle verstrooide fotonen op andere posities dan het brandpunt. De verstrooide fotonen worden vervolgens computationeel gecorrigeerd met behulp van een nieuw AO-algoritme genaamd closed-loop accumulatie van enkelvoudige verstrooiing (CLASS), die het team in 2017 ontwikkelde. Het algoritme gebruikt al het verstrooide licht om selectief ballistisch licht te extraheren en ernstige optische aberratie te corrigeren. In vergelijking met de meeste conventionele AO-microscopiesystemen, die heldere puntachtige reflectoren of fluorescerende objecten als gidssterren vereisen, vergelijkbaar met het gebruik van AO in de astronomie, de reflectiematrixmicroscoop werkt zonder fluorescerende labeling en zonder afhankelijk te zijn van de structuren van het doelwit. In aanvulling, het aantal aberratiemodi dat kan worden gecorrigeerd, is meer dan 10 keer groter dan dat van conventionele AO-systemen.

De reflectiematrixmicroscoop heeft als groot voordeel dat deze direct kan worden gecombineerd met een conventionele twee-fotonenmicroscoop die al veel wordt gebruikt in de life sciences. Om de aberratie te verwijderen die wordt ervaren door de excitatiestraal van de twee-fotonenmicroscoop, het team implementeerde op hardware gebaseerde adaptieve optica in de reflectiematrixmicroscoop om de aberratie van de muisschedel tegen te gaan. Ze demonstreerden de mogelijkheden van de nieuwe microscoop door fluorescentiebeelden van twee fotonen te maken van een dendritische ruggengraat van een neuron achter de muisschedel, met een ruimtelijke resolutie dicht bij de diffractielimiet. Normaal gesproken kan een conventionele twee-fotonenmicroscoop de delicate structuur van de dendrietruggengraat niet oplossen zonder het hersenweefsel volledig uit de schedel te verwijderen. Dit is een zeer belangrijke prestatie, zoals de Zuid-Koreaanse groep de eerste beeldvorming met hoge resolutie van neurale netwerken demonstreerde door een intacte muisschedel. Dit betekent dat het nu mogelijk is om het muizenbrein in zijn meest oorspronkelijke staat te onderzoeken.

Onderzoeksprofessor Yoon Seokchan en afgestudeerde student Lee Hojun, wie het onderzoek heeft uitgevoerd, zei, "Door de golffrontvervorming te corrigeren, we kunnen lichtenergie concentreren op de gewenste locatie in het levende weefsel... Onze microscoop stelt ons in staat om fijne interne structuren diep in levende weefsels te onderzoeken die op geen enkele andere manier kunnen worden opgelost. Dit zal ons enorm helpen bij het vroegtijdig diagnosticeren van ziekten en het versnellen van neurowetenschappelijk onderzoek."

De onderzoekers zetten hun volgende onderzoeksrichting in om de vormfactor van de microscoop te minimaliseren en de beeldsnelheid te verhogen. Het doel is de ontwikkeling van een labelvrije reflecterende matrixmicroscoop met een hoge beelddiepte voor gebruik in klinieken.

Vice-directeur Choi Wonshik zei:"De reflectiematrixmicroscoop is de technologie van de volgende generatie die verder gaat dan de beperkingen van conventionele optische microscopen. Dit zal ons in staat stellen om ons begrip van lichtvoortplanting door verstrooiende media te verbreden en het toepassingsgebied uit te breiden dat een optische microscoop kan verkennen."