Om een ​​hoge resolutie te creëren, 3D-beelden van weefsels zoals de hersenen, onderzoekers gebruiken vaak twee-fotonenmicroscopie, waarbij een laser met hoge intensiteit op het monster wordt gericht om fluorescentie-excitatie te induceren. Echter, diep in de hersenen scannen kan moeilijk zijn omdat het licht van de weefsels wordt verstrooid naarmate het dieper gaat, het maken van beelden wazig.

Beeldvorming met twee fotonen is ook tijdrovend, omdat het meestal afzonderlijke pixels één voor één moet scannen. Een team van onderzoekers van MIT en Harvard University heeft nu een aangepaste versie van twee-foton-beeldvorming ontwikkeld die dieper in het weefsel kan beelden en de beeldvorming veel sneller kan uitvoeren dan voorheen mogelijk was.

Dit soort beeldvorming zou wetenschappers in staat kunnen stellen om sneller beelden met een hoge resolutie te verkrijgen van structuren zoals bloedvaten en individuele neuronen in de hersenen, zeggen de onderzoekers.

"Door de laserstraal die in het weefsel komt te wijzigen, we hebben laten zien dat we dieper kunnen gaan en dat we fijnere beeldvorming kunnen doen dan de vorige technieken, " zegt Murat Yildirim, een MIT-onderzoeker en een van de auteurs van de nieuwe studie.

MIT-afgestudeerde student Cheng Zheng en voormalig postdoc Jong Kang Park zijn de hoofdauteurs van het artikel, die vandaag verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang . Dushan N. Wadduage, een voormalig MIT-postdoc die nu een John Harvard Distinguished Science Fellow in Imaging is bij het Center for Advanced Imaging aan de Harvard University, is de senior auteur van de krant. Andere auteurs zijn onder meer Josiah Boivin, een MIT-postdoc; Yi Xue, een voormalige MIT-afgestudeerde student; Mriganka Sur, de Newton-hoogleraar Neurowetenschappen aan het MIT; en Peter Dus, een MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde en biologische technologie.

Diepe beeldvorming

Twee-fotonenmicroscopie werkt door een intense straal van nabij-infrarood licht op een enkel punt in een monster te schijnen, het induceren van gelijktijdige absorptie van twee fotonen in het brandpunt, waar de intensiteit het hoogst is. Deze lange golflengte, energiezuinig licht kan dieper in het weefsel doordringen zonder het te beschadigen, waardoor beeldvorming onder het oppervlak mogelijk is.

Echter, excitatie met twee fotonen genereert beelden door fluorescentie, en het fluorescerende signaal bevindt zich in het zichtbare spectrale gebied. Bij beeldvorming dieper in weefselmonsters, het fluorescerende licht verstrooit meer en het beeld wordt wazig. Het in beeld brengen van vele weefsellagen is ook erg tijdrovend. Met behulp van wide-field imaging, waarin een heel weefselvlak tegelijk wordt verlicht, kan het proces versnellen, maar de resolutie van deze benadering is niet zo groot als die van puntsgewijs scannen.

Het MIT-team wilde een methode ontwikkelen waarmee ze in één keer een groot weefselmonster konden afbeelden, met behoud van de hoge resolutie van puntsgewijs scannen. Om dat te bereiken, ze bedachten een manier om het licht te manipuleren dat ze op het monster schijnen. Ze gebruiken een vorm van breedveldmicroscopie, een lichtvlak op het weefsel schijnen, maar pas de amplitude van het licht aan zodat ze elke pixel op verschillende tijdstippen kunnen in- of uitschakelen. Sommige pixels lichten op, terwijl nabijgelegen pixels donker blijven, en dit vooraf ontworpen patroon kan worden gedetecteerd in het licht dat door het weefsel wordt verstrooid.

"We kunnen elke pixel aan- of uitzetten door dit soort modulatie, " Zegt Zheng. "Als we sommige plekken uitzetten, die ruimte creëert rond elke pixel, dus nu kunnen we weten wat er op elk van de afzonderlijke plekken gebeurt."

Nadat de onderzoekers de onbewerkte afbeeldingen hebben verkregen, ze reconstrueren elke pixel met behulp van een computeralgoritme dat ze hebben gemaakt.

"We beheersen de vorm van het licht en we krijgen de reactie van het weefsel. Van deze reacties, we proberen op te lossen wat voor soort verstrooiing het weefsel heeft. Terwijl we de reconstructies van onze onbewerkte afbeeldingen doen, we kunnen veel informatie krijgen die u niet kunt zien in de onbewerkte afbeeldingen, ' zegt Yildirim.

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers toonden aan dat ze ongeveer 200 micron diep in plakjes spier- en nierweefsel konden afbeelden, en ongeveer 300 micron in de hersenen van muizen. Dat is ongeveer twee keer zo diep als mogelijk was zonder deze patroonbekrachtiging en computationele reconstructie. zegt Yildirim. De techniek kan ook afbeeldingen genereren van ongeveer 100 tot 1, 000 keer sneller dan conventionele twee-fotonmicroscopie.

Hersenstructuur

Dit type beeldvorming zou onderzoekers in staat moeten stellen om sneller beelden met een hoge resolutie van neuronen in de hersenen te verkrijgen, evenals andere structuren zoals bloedvaten. Het in beeld brengen van bloedvaten in de hersenen van muizen kan bijzonder nuttig zijn om meer te weten te komen over hoe de bloedstroom wordt beïnvloed door neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, zegt Yildirim.

"Alle onderzoeken naar de bloedstroom of morfologie van de bloedvatstructuren zijn gebaseerd op scansystemen met twee fotonen of drie fotonen, dus ze zijn traag, "zegt hij. "Door deze technologie te gebruiken, we kunnen echt supersnelle volumetrische beeldvorming van de bloedstroom en de bloedvatstructuur uitvoeren om de veranderingen in de bloedstroom te begrijpen."

De techniek zou zich ook kunnen lenen voor het meten van neuronale activiteit, door het toevoegen van spanningsgevoelige fluorescerende kleurstoffen of fluorescerende calciumsondes die oplichten wanneer neuronen worden geëxciteerd. Het kan ook nuttig zijn voor het analyseren van andere soorten weefsel, inclusief tumoren, waar het kan worden gebruikt om de randen van een tumor te helpen bepalen.