Un nuovo sistema di microscopio ottico chiamato stimolazione e microscopia ottica funzionale basata su imaging (SIFOM) può stimolare più cellule contemporaneamente tramite un metodo olografico e monitorare l'attività cellulare dopo la stimolazione utilizzando misurazioni 3D basate sull'olografia a fluorescenza. Questo sistema ha potenziali applicazioni come strumento per la ricostruzione delle vie nervose perse, costruire reti neurali artificiali, e sviluppo delle risorse alimentari. Il concetto di SIFOM e la verifica di fattibilità sono stati pubblicati il ​​1 novembre in Lettere di ottica .

Esistono molte tecniche ottiche, compresa la microscopia a contrasto di fase, microscopia a fluorescenza, microscopia multifotonica e microscopia a fluorescenza super risolta. Le recenti scoperte nella tecnologia dell'ottica hanno consentito agli scienziati di visualizzare la struttura ultrafine delle cellule e le loro funzioni in vitro e in vivo. I ricercatori possono ora utilizzare la luce per manipolare l'attività cellulare, una tecnica chiamata optogenetica, utilizzando channelrhodopsin o altre proteine ​​correlate (vedi figura 1). Però, l'attuale stimolazione della luce basata sull'optogenetica utilizzata per manipolare l'attività cellulare è troppo semplice, utilizzando l'esposizione uniforme tramite LED o tramite fibre ottiche, quindi è possibile solo un basso livello di manipolazione cellulare.

Questo studio propone un nuovo sistema di microscopio ottico chiamato SIFOM (figura 2). Il SIFOM è costituito da due sottofunzioni:osservazione 3D delle cellule e stimolazione 3D delle cellule basata sull'olografia digitale. Questo è il primo microscopio ad essere dotato di una tecnologia in grado di eseguire contemporaneamente osservazione e stimolazione 3D, e ha potenziali applicazioni come strumento innovativo nelle scienze della vita. Utilizzando la fotografia senza scansione ad alta velocità, questa tecnologia ci consente di ottenere informazioni su più eventi che si verificano nello spazio 3D in un lasso di tempo molto breve.

Come esperimento di verifica, il team ha utilizzato cellule tumorali polmonari e sfere fluorescenti di circa 10 micrometri. Hanno registrato un ologramma fluorescente in uno stato sfocato dalla posizione focale nella direzione della profondità e hanno ottenuto la ricostruzione sia delle cellule che delle sfere fluorescenti (figura 3).

Durante l'esperimento di verifica, sono stati in grado di osservare la stimolazione della luce per un massimo di cinque cellule alla volta. Il numero massimo di cellule stimolate è determinato principalmente perché la potenza luminosa per la stimolazione è insufficiente. Nello spazio bidimensionale (bidimensionale), si prevede che la stimolazione luminosa simultanea sia possibile per oltre 100 cellule, e in futuro, il team mira ad espandere la profondità di stimolazione a poche centinaia di micrometri utilizzando la stimolazione a due fotoni.

Per osservare le cellule viventi, c'è un limite alla potenza della fluorescenza per evitare di danneggiare le cellule, quindi sono necessarie misurazioni ad alta sensibilità. Il team mira a superare questi problemi e preparare il nuovo sistema di microscopia ottica per l'uso pratico. Il professor Matoba commenta, "Abbiamo una borsa di ricerca da JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Giappone per fabbricare un SIFOM e poi applicarlo all'ulteriore sviluppo delle neuroscienze. Collaboreremo con le aziende per introdurre il nuovo microscopio ottico nel mercato commerciale."