Новый тип микроскопа, который может видеть сквозь череп
Неинвазивные методы микроскопии, такие как оптическая когерентная микроскопия и двухфотонная микроскопия, обычно используются для визуализации живых тканей в естественных условиях. При прохождении света через мутные материалы, такие как биологические ткани, генерируются два типа света: баллистические фотоны и многократно рассеянные фотоны. Баллистические фотоны проходят прямо через объект, не испытывая никакого отражения, и, следовательно, используются для реконструкции изображения объекта. С другой стороны, многократно рассеянные фотоны генерируются с помощью случайных отклонений по мере прохождения света через материал и проявляются на реконструированном изображении в виде шума из крапинок. По мере распространения света на все большие расстояния соотношение между многократно рассеянными и баллистическими фотонами резко возрастает, тем самым затуманивая информацию на изображении. В дополнение к шумам, генерируемым многократно рассеянным светом, оптическая аберрация баллистического света также приводит к снижению контрастности и увеличению размытости изображения в процессе восстановления изображения.
В частности, костные ткани имеют многочисленные сложные внутренние структуры, которые вызывают сильное многократное рассеяние света и сложные оптические аберрации. Поэтому мелкие структуры нервной системы трудно визуализируются из-за сильного шума и искажения изображения.
Недавно группа ученых из Центра молекулярной спектроскопии и динамики Института фундаментальных наук в Сеуле (Южная Корея) совершила крупный прорыв в области оптической визуализации глубоких тканей. Они разработали новый оптический микроскоп, который позволяет получать изображение через череп мыши и наблюдать микроскопическую карту нейронных сетей в тканях головного мозга без потери пространственного разрешения.
Информация о разработке была опубликована в журнале Nature Communications.
Этот новый микроскоп называется рефлекционно-матричным микроскопом и сочетает в себе возможности как аппаратного обеспечения, так и вычислительной адаптивной оптики, которая является технологией, изначально разработанной для наземной астрономии с целью коррекции оптических аберраций. В то время как обычный конфокальный микроскоп измеряет сигнал только в фокусной точке освещения и отбрасывает весь не фокусирующийся свет, новый микроскоп регистрирует все рассеянные фотоны в положениях, отличных от фокусной точки. Затем рассеянные фотоны корректируются с помощью нового алгоритма, который был разработан командой еще в 2017 году. Алгоритм использует весь рассеянный свет для выборочного извлечения баллистического света и коррекции сильных оптических аберраций. По сравнению с большинством обычных систем микроскопии на основе адаптивной оптики, которые требуют ярких точечных отражателей или флуоресцентных объектов в качестве направляющих звезд, как это происходит в астрономии, матричный рефлекционно-матричный микроскоп работает без флуоресцентной маркировки и без зависимости от структуры мишени. Кроме того, количество аберрационных режимов, которые могут быть скорректированы, более чем в 10 раз больше, чем у обычных систем адаптивной оптики.
Большое преимущество этого микроскопа состоит в том, что его можно комбинировать с обычным двухфотонным микроскопом, который уже широко используется в области медико-биологических наук. Используя их совместно, южнокорейская группа продемонстрировала первую визуализацию нейронных сетей с высоким разрешением через неповрежденный череп мыши. Это означает, что теперь можно исследовать мозг мыши в его самых естественных состояниях.
В настоящее время ученые стараются свести к минимуму форм-фактор микроскопа и увеличить скорость его визуализации. Целью является разработка рефлекционно-матричного микроскопа с высокой глубиной изображения для использования в клиниках.
