Onderzoekers onder leiding van Associate Director Choi Wonshik van het Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics binnen het Institute for Basic Science, professor Kim Moonseok van de Katholieke Universiteit van Korea en professor Choi Myunghwan van de Seoul National University ontwikkelden een nieuw type holografische microscoop. Er wordt gezegd dat de nieuwe microscoop door de intacte schedel kan "kijken" en in staat is tot 3D-beeldvorming met hoge resolutie van het neurale netwerk in een levend muizenbrein zonder de schedel te verwijderen.

Om de interne kenmerken van een levend organisme met behulp van licht te onderzoeken, is het noodzakelijk om A) voldoende lichtenergie aan het monster te leveren en B) het signaal dat door het doelweefsel wordt gereflecteerd nauwkeurig te meten. In levende weefsels treden echter vaak meerdere verstrooiingseffecten en ernstige aberratie op wanneer licht de cellen raakt, wat het moeilijk maakt om scherpe beelden te verkrijgen.

In complexe structuren zoals levend weefsel ondergaat licht meerdere verstrooiing, waardoor de fotonen meerdere keren willekeurig van richting veranderen terwijl ze door het weefsel reizen. Door dit proces wordt veel van de beeldinformatie die door het licht wordt gedragen, geruïneerd. Maar zelfs als het een zeer kleine hoeveelheid gereflecteerd licht is, is het mogelijk om de kenmerken die zich relatief diep in de weefsels bevinden waar te nemen door de golffrontvervorming van het licht dat werd gereflecteerd door het te observeren doel te corrigeren. Toch interfereren de bovengenoemde meervoudige verstrooiingseffecten met dit correctieproces. Om een ​​diep weefselbeeld met hoge resolutie te verkrijgen, is het daarom belangrijk om de meervoudig verstrooide golven te verwijderen en de verhouding van de enkelvoudig verstrooide golven te vergroten.

In 2019 ontwikkelden de IBS-onderzoekers de high-speed time-resolved holografische microscoop die meervoudige verstrooiing kan elimineren en tegelijkertijd de amplitude en fase van licht kan meten. Ze gebruikten deze microscoop om het neurale netwerk van levende vissen te observeren zonder incisiechirurgie. In het geval van een muis die een dikkere schedel heeft dan die van een vis, was het echter niet mogelijk om een ​​neuraal netwerkbeeld van de hersenen te verkrijgen zonder de schedel te verwijderen of uit te dunnen, vanwege de ernstige lichtvervorming en meervoudige verstrooiing die optreden wanneer de licht reist door de botstructuur.

Het onderzoeksteam slaagde erin om de interactie tussen licht en materie kwantitatief te analyseren, waardoor ze hun vorige microscoop verder konden verbeteren. In deze recente studie rapporteerden ze de succesvolle ontwikkeling van een superdiepe, driedimensionale tijdopgeloste holografische microscoop die het mogelijk maakt om weefsels tot op een grotere diepte dan ooit tevoren te observeren.

In het bijzonder bedachten de onderzoekers een methode om bij voorkeur enkelvoudig verstrooide golven te selecteren door gebruik te maken van het feit dat ze vergelijkbare reflectiegolfvormen hebben, zelfs wanneer licht vanuit verschillende hoeken wordt ingevoerd. Dit werd gedaan door een complex algoritme en een numerieke bewerking die de eigenmode van een medium (een unieke golf die lichtenergie aan een medium levert) analyseert, waardoor een resonantiemodus kan worden gevonden die constructieve interferentie maximaliseert (interferentie die optreedt wanneer golven van dezelfde fase overlap) tussen golffronten van licht. Hierdoor kon de nieuwe microscoop meer dan 80 keer de lichtenergie op de neurale vezels focussen dan voorheen, terwijl onnodige signalen selectief werden verwijderd. Hierdoor kon de verhouding van enkelvoudig verstrooide golven versus meervoudig verstrooide golven met verschillende ordes van grootte worden verhoogd.

Het onderzoeksteam zette de demonstratie van deze nieuwe technologie voort door het muizenbrein te observeren. De microscoop was in staat om de golffrontvervorming te corrigeren, zelfs op een diepte die voorheen onmogelijk was met bestaande technologie. De nieuwe microscoop slaagde erin een afbeelding met hoge resolutie te maken van het neurale netwerk van de muizenhersenen onder de schedel. Dit werd allemaal bereikt in de zichtbare golflengte zonder de schedel van de muis te verwijderen en zonder dat een fluorescerend label nodig was.

Professor Kim Moonseok en Dr. Jo Yonghyeon, die de basis van de holografische microscoop hebben ontwikkeld, zeiden:"Toen we voor het eerst de optische resonantie van complexe media waarnamen, kreeg ons werk veel aandacht van de academische wereld. Van basisprincipes tot praktische toepassing van het observeren van de neuraal netwerk onder de schedel van de muis, hebben we een nieuwe weg geopend voor hersen-neuro-imaging convergente technologie door de inspanningen van getalenteerde mensen in de natuurkunde, het leven en de hersenwetenschap te combineren."

Associate Director Choi Wonshik zei:"Ons centrum heeft lange tijd superdiepe bio-imaging-technologie ontwikkeld die fysieke principes toepast. Er wordt verwacht dat onze huidige bevinding een grote bijdrage zal leveren aan de ontwikkeling van biomedisch interdisciplinair onderzoek, inclusief neurowetenschappen en de industrie van precisie metrologie."

Dit onderzoek is gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift Science Advances op 28 juli. + Verder verkennen

Wetenschappers vinden een nieuw type microscoop uit die door een intacte schedel kan kijken