Per creare ad alta risoluzione, Immagini 3D di tessuti come il cervello, i ricercatori usano spesso la microscopia a due fotoni, che implica puntare un laser ad alta intensità sul campione per indurre l'eccitazione della fluorescenza. Però, la scansione in profondità all'interno del cervello può essere difficile perché la luce si disperde dai tessuti mentre va più in profondità, rendere le immagini sfocate.

Anche l'imaging a due fotoni richiede molto tempo, poiché di solito richiede la scansione di singoli pixel uno alla volta. Un team di ricercatori del MIT e dell'Università di Harvard ha ora sviluppato una versione modificata dell'imaging a due fotoni in grado di acquisire immagini più profonde all'interno dei tessuti ed eseguire l'imaging molto più rapidamente di quanto fosse possibile in precedenza.

Questo tipo di imaging potrebbe consentire agli scienziati di ottenere più rapidamente immagini ad alta risoluzione di strutture come vasi sanguigni e singoli neuroni all'interno del cervello, dicono i ricercatori.

"Modificando il raggio laser che entra nel tessuto, abbiamo dimostrato che possiamo andare più in profondità e possiamo eseguire immagini più precise rispetto alle tecniche precedenti, "dice Murat Yildirim, un ricercatore del MIT e uno degli autori del nuovo studio.

Lo studente laureato del MIT Cheng Zheng e l'ex postdoc Jong Kang Park sono gli autori principali del documento, che appare oggi in Progressi scientifici . Dushan N. Wadduwage, un ex postdoc del MIT che ora è John Harvard Distinguished Science Fellow in Imaging presso il Center for Advanced Imaging dell'Università di Harvard, è l'autore senior del documento. Altri autori includono Josiah Boivin, un postdottorato al MIT; Yi Xue, un ex studente laureato del MIT; Mrganka Sur, il Newton Professor di Neuroscienze al MIT; e Pietro Così, un professore del MIT di ingegneria meccanica e di ingegneria biologica.

Imaging profondo

La microscopia a due fotoni funziona proiettando un intenso raggio di luce nel vicino infrarosso su un singolo punto all'interno di un campione, inducendo l'assorbimento simultaneo di due fotoni nel punto focale, dove l'intensità è massima. Questa lunga lunghezza d'onda, la luce a bassa energia può penetrare più in profondità nel tessuto senza danneggiarlo, consentendo l'imaging sotto la superficie.

Però, l'eccitazione a due fotoni genera immagini per fluorescenza, e il segnale fluorescente è nella regione spettrale visibile. Quando si esegue l'imaging più in profondità nei campioni di tessuto, la luce fluorescente si disperde maggiormente e l'immagine diventa sfocata. Anche l'imaging di molti strati di tessuto richiede molto tempo. Utilizzando l'imaging ad ampio campo, in cui un intero piano di tessuto è illuminato in una volta, può accelerare il processo, ma la risoluzione di questo approccio non è così grande come quella della scansione punto per punto.

Il team del MIT voleva sviluppare un metodo che consentisse loro di visualizzare un grande campione di tessuto tutto in una volta, pur mantenendo l'alta risoluzione della scansione punto per punto. Per ottenere ciò, hanno trovato un modo per manipolare la luce che irradiano sul campione. Usano una forma di microscopia ad ampio campo, facendo brillare un piano di luce sul tessuto, ma modificare l'ampiezza della luce in modo che possano accendere o spegnere ogni pixel in momenti diversi. Alcuni pixel sono illuminati mentre i pixel vicini rimangono scuri, e questo modello prestabilito può essere rilevato nella luce diffusa dal tessuto.

"Possiamo attivare o disattivare ogni pixel con questo tipo di modulazione, " dice Zheng. "Se spegniamo alcuni degli spot, che crea spazio attorno a ogni pixel, così ora possiamo sapere cosa sta succedendo in ciascuno dei singoli punti".

Dopo che i ricercatori hanno ottenuto le immagini grezze, ricostruiscono ogni pixel utilizzando un algoritmo informatico che hanno creato.

"Controlliamo la forma della luce e otteniamo la risposta dal tessuto. Da queste risposte, cerchiamo di risolvere che tipo di dispersione ha il tessuto. Mentre eseguiamo le ricostruzioni dalle nostre immagini grezze, possiamo ottenere molte informazioni che non puoi vedere nelle immagini grezze, "Dice Yildirim.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno dimostrato di poter visualizzare circa 200 micron di profondità in fette di tessuto muscolare e renale, e circa 300 micron nel cervello dei topi. Questo è circa il doppio di quanto fosse possibile senza questa eccitazione modellata e la ricostruzione computazionale, Yildirim dice. La tecnica può anche generare immagini di circa 100 a 1, 000 volte più veloce della convenzionale microscopia a due fotoni.

Struttura del cervello

Questo tipo di imaging dovrebbe consentire ai ricercatori di ottenere più rapidamente immagini ad alta risoluzione dei neuroni nel cervello, così come altre strutture come i vasi sanguigni. L'imaging dei vasi sanguigni nel cervello dei topi potrebbe essere particolarmente utile per saperne di più su come il flusso sanguigno è influenzato da malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, Yildirim dice.

"Tutti gli studi sul flusso sanguigno o sulla morfologia delle strutture dei vasi sanguigni si basano su sistemi di scansione del punto a due o tre fotoni, quindi sono lenti, " dice. "Utilizzando questa tecnologia, possiamo davvero eseguire l'imaging volumetrico ad alta velocità del flusso sanguigno e della struttura dei vasi sanguigni per comprendere i cambiamenti nel flusso sanguigno".

La tecnica potrebbe anche prestarsi alla misurazione dell'attività neuronale, aggiungendo coloranti fluorescenti sensibili alla tensione o sonde di calcio fluorescenti che si illuminano quando i neuroni sono eccitati. Potrebbe essere utile anche per analizzare altri tipi di tessuto, compresi i tumori, dove potrebbe essere usato per aiutare a determinare i bordi di un tumore.