Figura 1. Microscopio olografico 3D a super profonditàUn microscopio olografico 3D a super profondità sviluppato dai ricercatori dell'IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics. È possibile osservare la rete neurale degli organismi viventi aumentando il rapporto del segnale ottico target e aumentando la velocità e la profondità di acquisizione dell'immagine. Credito:Istituto per le scienze di base
I ricercatori guidati dal direttore associato Choi Wonshik del Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics all'interno dell'Institute for Basic Science, dal professor Kim Moonseok dell'Università cattolica della Corea e dal professor Choi Myunghwan della Seoul National University hanno sviluppato un nuovo tipo di microscopio olografico. Si dice che il nuovo microscopio possa "vedere attraverso" il cranio intatto ed è in grado di acquisire immagini 3D ad alta risoluzione della rete neurale all'interno di un cervello di topo vivente senza rimuovere il cranio.
Per esaminare le caratteristiche interne di un organismo vivente utilizzando la luce, è necessario A) fornire sufficiente energia luminosa al campione e B) misurare accuratamente il segnale riflesso dal tessuto bersaglio. Tuttavia, nei tessuti viventi tendono a verificarsi molteplici effetti di dispersione e gravi aberrazioni quando la luce colpisce le cellule, il che rende difficile ottenere immagini nitide.
In strutture complesse come i tessuti viventi, la luce subisce una dispersione multipla, che fa sì che i fotoni cambino casualmente la loro direzione più volte mentre viaggiano attraverso il tessuto. A causa di questo processo, gran parte delle informazioni sull'immagine trasportate dalla luce vengono rovinate. Tuttavia, anche se si tratta di una quantità molto piccola di luce riflessa, è possibile osservare le caratteristiche situate relativamente in profondità all'interno dei tessuti correggendo la distorsione del fronte d'onda della luce riflessa dal target da osservare. Tuttavia, gli effetti di dispersione multipla sopra menzionati interferiscono con questo processo di correzione. Pertanto, al fine di ottenere un'immagine dei tessuti profondi ad alta risoluzione, è importante rimuovere le onde a dispersione multipla e aumentare il rapporto delle onde a dispersione singola.
Figura 2. Caratteristiche del segnale riflesso secondo l'angolo di incidenza(A) Se l'oggetto è piccolo o ha una struttura lineare, la forma d'onda del segnale riflesso delle singole onde sparse rimane simile anche al variare dell'angolo di incidenza. (B) Tuttavia, la forma d'onda del segnale riflesso delle onde a dispersione multipla cambia senza somiglianza anche con un leggero cambiamento nell'angolo di incidenza. Usando queste proprietà del fronte d'onda, i singoli componenti di scattering e più componenti di scattering possono essere separati l'uno dall'altro. Credito:Istituto per le scienze di base
Nel 2019, i ricercatori dell'IBS hanno sviluppato il microscopio olografico ad alta velocità con risoluzione temporale in grado di eliminare lo scattering multiplo e misurare contemporaneamente l'ampiezza e la fase della luce. Hanno usato questo microscopio per osservare la rete neurale di pesci vivi senza chirurgia incisionale. Tuttavia, nel caso di un topo che ha un cranio più spesso di quello di un pesce, non è stato possibile ottenere un'immagine della rete neurale del cervello senza rimuovere o assottigliare il cranio, a causa della forte distorsione della luce e della dispersione multipla che si verificano quando il la luce viaggia attraverso la struttura ossea.
Il team di ricerca è riuscito ad analizzare quantitativamente l'interazione tra luce e materia, che ha permesso loro di migliorare ulteriormente il microscopio precedente. In questo recente studio, hanno riportato lo sviluppo di successo di un microscopio olografico tridimensionale a risoluzione temporale super-profondo che consente l'osservazione dei tessuti a una profondità maggiore che mai.
In particolare, i ricercatori hanno ideato un metodo per selezionare preferenzialmente le onde a dispersione singola, sfruttando il fatto che hanno forme d'onda di riflessione simili anche quando la luce viene immessa da varie angolazioni. Ciò è stato fatto da un algoritmo complesso e da un'operazione numerica che analizza l'automodo di un mezzo (un'onda unica che fornisce energia luminosa in un mezzo), che consente di trovare un modo di risonanza che massimizza l'interferenza costruttiva (interferenza che si verifica quando onde di la stessa sovrapposizione di fase) tra i fronti d'onda della luce. Ciò ha consentito al nuovo microscopio di concentrare più di 80 volte l'energia luminosa sulle fibre neurali rispetto a prima, rimuovendo selettivamente i segnali non necessari. Ciò ha consentito di aumentare di diversi ordini di grandezza il rapporto tra onde a dispersione singola e onde a dispersione multipla.
Figura 3. È stata osservata una rete neurale nel cervello di un topo vivente senza rimuovere il cranio (A). La rete neurale del cervello è stata fotografata con successo utilizzando una sorgente di luce nella regione della lunghezza d'onda visibile. Solo la pelle di un topo vivente è stata rimossa e il cranio è stato lasciato intatto. (B) Utilizzando la tecnologia precedente, non è stato possibile correggere la complessa aberrazione a causa delle gravi onde multiple sparse generate nel cranio, il che rende impossibile ottenere un'immagine coerente. (C) Tuttavia, l'algoritmo sviluppato dal team di ricerca ha consentito la rimozione selettiva di più componenti di scattering tra il segnale riflesso, il che consente di correggere l'aberrazione del fronte d'onda. (D) Ciò ha permesso loro di risolvere la struttura fine delle fibre neurali all'interno del cervello. E, F) Le immagini di proiezione ad alta risoluzione visualizzano gli osteociti all'interno del cranio del topo, che fioriscono tra gli strati ossei e la dura e G) la rete neurale ottenuta al microscopio. Credito:Istituto per le scienze di base
Il team di ricerca ha continuato la dimostrazione di questa nuova tecnologia osservando il cervello del topo. Il microscopio è stato in grado di correggere la distorsione del fronte d'onda anche a una profondità che prima era impossibile utilizzando la tecnologia esistente. Il nuovo microscopio è riuscito a ottenere un'immagine ad alta risoluzione della rete neurale del cervello del topo sotto il cranio. Tutto ciò è stato ottenuto nella lunghezza d'onda visibile senza rimuovere il teschio del topo e senza richiedere un'etichetta fluorescente.
Il professor Kim Moonseok e il dottor Jo Yonghyeon, che hanno sviluppato le basi del microscopio olografico, hanno affermato:"Quando abbiamo osservato per la prima volta la risonanza ottica di media complessi, il nostro lavoro ha ricevuto grande attenzione dal mondo accademico. Dai principi di base all'applicazione pratica dell'osservazione del rete neurale sotto il teschio del topo, abbiamo aperto un nuovo modo per la tecnologia convergente di neuroimaging cerebrale, combinando gli sforzi di persone di talento nel campo della fisica, della vita e delle scienze del cervello."
Il Direttore Associato Choi Wonshik ha dichiarato:"Per molto tempo, il nostro Centro ha sviluppato una tecnologia di bioimaging super-approfondita che applica i principi fisici. Si prevede che la nostra attuale scoperta contribuirà notevolmente allo sviluppo della ricerca interdisciplinare biomedica, comprese le neuroscienze e l'industria della precisione metrologia."
Questa ricerca è stata pubblicata nell'edizione online della rivista Science Advances il 28 luglio. + Esplora ulteriormente
