Um novo sistema de microscópio óptico denominado microscopia óptica funcional baseada em estimulação e imagem (SIFOM) pode estimular várias células simultaneamente por meio de um método holográfico e monitorar a atividade celular após a estimulação usando medições 3-D baseadas em holografia de fluorescência. Este sistema tem aplicações potenciais como uma ferramenta para a reconstrução de vias nervosas perdidas, construir redes neurais artificiais, e desenvolvimento de recursos alimentares. O conceito do SIFOM e a verificação de viabilidade foram publicados no dia 1º de novembro em Cartas de Óptica .

Existem muitas técnicas ópticas, incluindo microscopia de contraste de fase, Microscópio Fluorescente, microscopia multi-fótons e microscopia de fluorescência super-resolvida. Avanços recentes na tecnologia óptica permitiram aos cientistas visualizar a estrutura ultrafina das células e suas funções in vitro e in vivo. Os pesquisadores agora podem usar a luz para manipular a atividade celular, uma técnica chamada optogenética, usando canalrodopsina ou outras proteínas relacionadas (ver figura 1). Contudo, a atual estimulação de luz baseada na optogenética usada para manipular a atividade celular é muito simples, usando exposição uniforme por LED ou através de fibras ópticas, portanto, apenas um baixo nível de manipulação celular é possível.

Este estudo propõe um novo sistema de microscópio óptico denominado SIFOM (figura 2). O SIFOM consiste em duas subfunções:observação 3-D de células e estimulação 3-D de células com base em holografia digital. Este é o primeiro microscópio a ser equipado com tecnologia que pode realizar simultaneamente observação e estimulação 3D, e tem aplicações potenciais como uma ferramenta inovadora nas ciências da vida. Usando fotografia sem digitalização de alta velocidade, essa tecnologia possibilita obter informações sobre vários eventos que ocorrem no espaço 3-D em um período de tempo muito curto.

Como um experimento de verificação, a equipe usou células de câncer de pulmão e contas fluorescentes com cerca de 10 micrômetros de tamanho. Eles gravaram um holograma fluorescente em um estado desfocado da posição focal na direção da profundidade e conseguiram a reconstrução das células e dos grânulos fluorescentes (figura 3).

Durante o experimento de verificação, eles foram capazes de observar a estimulação luminosa para um máximo de cinco células ao mesmo tempo. O número máximo de células estimuladas é determinado principalmente porque não há potência de luz suficiente para a estimulação. No espaço 2-D (bidimensional), espera-se que a estimulação luminosa simultânea seja possível para mais de 100 células, e no futuro, a equipe tem como objetivo expandir a profundidade de estimulação para algumas centenas de micrômetros usando estimulação de dois fótons.

A fim de observar células vivas, há um limite para o poder da fluorescência para evitar danificar as células, portanto, medições de alta sensibilidade são necessárias. O objetivo da equipe é superar esses problemas e preparar o novo sistema de microscopia óptica para uso prático. O professor Matoba comenta, "Temos uma bolsa de pesquisa do JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Japão para fabricar um SIFOM e depois aplicá-lo ao desenvolvimento da neurociência. Vamos colaborar com empresas para introduzir o novo microscópio óptico no mercado comercial. "