Door gebruik te maken van nabij-infrarood licht met lange golflengte, wetenschappers van UC Davis ontwikkelden een labelvrije microscopiebenadering die een unieke combinatie van diepe, hoge resolutie, en minimaal invasieve beeldvorming van de hersenen. De techniek brengt neuronen en axonale myelinisatie in beeld over de neocortex van de muis en sommige subcorticale gebieden, door de uitgedunde schedel. Nu kunnen studies van hersenziekte diep in de muizenhersenen worden uitgevoerd door middel van een minimaal invasieve en eenvoudige chirurgische voorbereiding.

Ziekten van het centrale zenuwstelsel (CZS), zoals de ziekte van Alzheimer (AD) manifesteren zich vroeg op microscopisch (d.w.z. cellulair) niveau, diep in de hersenen. Nog, optische microscopen die cellen in de levende hersenen kunnen zien, zijn oppervlakkig of invasief. Hele hersenbeeldvormingstechnieken zoals magnetische resonantiebeeldvorming zijn diep en niet-invasief, maar missen cellulaire resolutie.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Vivek J. Srinivasan van de afdelingen Oogheelkunde en Radiologie en het Tech4Health Institute, NYU Langone Gezondheid, VS, en collega's hebben een labelvrije optische microscopie-aanpak ontwikkeld die een uniek vermogen heeft om diepe, met hoge resolutie en minimale invasiviteit. specifiek, ze demonstreerden een in vivo optische coherentiemicroscopie (OCM) -benadering met hoge numerieke apertuur die gebruikmaakt van het 1700 nm waterabsorptievenster, waar verzwakking van licht door verstrooiing en absorptie wordt geminimaliseerd.

Het 1700 nm waterabsorptievenster, ook bekend als het derde nabij-infrarood (NIR) venster, heeft een lokaal waterabsorptieminimum en een relatief lage verstrooiing. In OCM, een breder spectrum zorgt voor een fijnere axiale resolutie, en daarmee een sterker vermogen om meervoudig verstrooid licht te verwerpen dat beeldwaas veroorzaakt. Maar het hele 1700 nm-venster, die zich uitstrekt van 1560 tot 1820 nm, wordt vaak niet gebruikt:

"De overgang van standaardgolflengten naar 1700 nm OCM, terwijl optimaal gebruik wordt gemaakt van het volledige waterabsorptievenster (niet slechts een deel van het venster), is tot op heden erg moeilijk geweest vanwege de vele optische technische uitdagingen, ", zeiden de wetenschappers.

Deze uitdagingen omvatten luidruchtige detectoren en lichtbronnen, ernstige chromatische dispersie, en het ontbreken van gestandaardiseerde optische componenten. De wetenschappers hebben deze problemen aangepakt door te kiezen voor een supercontinuümlichtbron met een laag geluidsniveau, een aangepaste numerieke dispersiecompensatiemethode, en optisch systeemontwerp. Met deze technische vooruitgang, neuronale cel- en myeline-architectuur over de gehele diepte van de neocortex van de muis, en sommige subcorticale gebieden, kan worden afgebeeld via een uitgedund schedelpreparaat dat de intracraniale ruimte behoudt.

"De resultaten vertegenwoordigen ongekende diepten voor beeldvorming van de hersenen op celschaal door middel van een minimaal invasieve voorbereiding. Vervolgens onderzochten we het 5xFAD-muismodel van de ziekte van Alzheimer (AD), die naar verwachting een gradatie van pathologie met corticale diepte zal vertonen. De beeldvormingsresultaten bevestigden het optreden van ernstige pathologie in de diepe maar niet oppervlakkige cortex, die zouden worden gemist door meer oppervlakkige beeldvormingstechnieken."

Een ander belangrijk kenmerk van de methode is dat het beeldcontrast voortkomt uit intrinsieke eigenschappen van de hersenen zelf. OCM vereist geen transgene muizen of toediening van verbindingen. Neuronaal cellichaamsverlies, demyelinisatie van axonen, plaquettes, en lokale weefselveranderingen kunnen allemaal worden afgebeeld.

"Nu kan ziekte diep in het muizenbrein worden gevisualiseerd met een eenvoudige chirurgische voorbereiding, zonder exogene etikettering. Het optische venster van 1700 nm kan ook het weefselwater- en lipidegehalte in vivo kwantificeren, die meer inzicht kunnen geven in de progressie van de ziekte, ' voorspellen de wetenschappers.