Técnicas microscópicas não invasivas, como microscopia de coerência óptica e microscopia de dois fótons, são comumente usadas para imagens in vivo de tecidos vivos. Quando a luz passa por materiais turvos, como tecidos biológicos, dois tipos de luz são gerados:fótons balísticos e fótons multiplicados. Os fótons balísticos viajam direto pelo objeto sem sofrer qualquer deflexão e, portanto, são usados ​​para reconstruir a imagem do objeto. Por outro lado, os fótons multiplamente espalhados são gerados por meio de deflexões aleatórias à medida que a luz passa pelo material e aparecem como ruídos pontilhados na imagem reconstruída. À medida que a luz se propaga através de distâncias crescentes, a razão entre os fótons multiplamente dispersos e balísticos aumenta drasticamente, obscurecendo assim as informações da imagem. Além do ruído gerado pela luz multiplamente espalhada, a aberração óptica da luz balística também causa redução do contraste e desfoque da imagem durante o processo de reconstrução da imagem.

Os tecidos ósseos, em particular, têm inúmeras estruturas internas complexas, que causam dispersões de luz múltiplas graves e aberrações ópticas complexas. Quando se trata de imagens ópticas do cérebro do rato através de um crânio intacto, as estruturas finas do sistema nervoso são difíceis de visualizar devido ao forte ruído de manchas e distorção da imagem. Isso é problemático na pesquisa em neurociência, onde o mouse é amplamente utilizado como organismo modelo. Devido à limitação das técnicas de imagem utilizadas atualmente, o crânio deve ser removido ou afinado para investigar microscopicamente as redes neurais dos tecidos cerebrais por baixo.

Portanto, outras soluções têm sido sugeridas para obter imagens mais profundas de tecidos vivos. Por exemplo, a microscopia de três fótons tem sido usada com sucesso para obter imagens de neurônios abaixo do crânio de camundongos nos últimos anos. Contudo, a microscopia de três fótons é limitada por uma baixa taxa de repetição do laser, pois emprega uma janela de excitação na faixa do infravermelho, que pode danificar o tecido vivo durante a imagem in vivo. Ele também tem um poder de excitação excessivo, o que significa que o fotodegradação é mais extenso em comparação com a abordagem de dois fótons.

Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Choi Wonshik no Centro de Espectroscopia e Dinâmica Molecular do Instituto de Ciências Básicas (IBS) em Seul, A Coreia do Sul fez um grande avanço em imagens ópticas de tecidos profundos. Eles desenvolveram um novo microscópio óptico que pode obter imagens através de um crânio de camundongo intacto e adquirir um mapa microscópico de redes neurais em tecidos cerebrais sem perder a resolução espacial.

Este novo microscópio é denominado um 'microscópio de matriz de reflexão, 'e combina os poderes de hardware e óptica adaptativa computacional (AO), que é uma tecnologia desenvolvida originalmente para astronomia terrestre para corrigir aberrações ópticas. Enquanto um microscópio confocal convencional mede o sinal de reflexão apenas no ponto focal de iluminação e descarta toda a luz fora de foco, o microscópio de matriz de reflexão registra todos os fótons espalhados em posições diferentes do ponto focal. Os fótons espalhados são então corrigidos computacionalmente usando um novo algoritmo AO chamado acúmulo de loop fechado de espalhamento único (CLASSE), que a equipe desenvolveu em 2017. O algoritmo explora toda a luz espalhada para extrair seletivamente a luz balística e corrigir a aberração óptica severa. Em comparação com a maioria dos sistemas convencionais de microscopia AO, que requerem refletores semelhantes a pontos brilhantes ou objetos fluorescentes como estrelas-guia, de forma semelhante ao uso de AO em astronomia, o microscópio de matriz de reflexão funciona sem qualquer marcação fluorescente e sem depender das estruturas do alvo. Além disso, o número de modos de aberração que podem ser corrigidos é mais de 10 vezes maior do que os sistemas AO convencionais.

O microscópio de matriz de reflexão tem a grande vantagem de poder ser combinado diretamente com um microscópio convencional de dois fótons que já é amplamente utilizado no campo das ciências da vida. Para remover a aberração experimentada pelo feixe de excitação do microscópio de dois fótons, a equipe implantou óptica adaptativa baseada em hardware dentro do microscópio de matriz de reflexão para neutralizar a aberração do crânio do rato. Eles demonstraram as capacidades do novo microscópio, obtendo imagens de fluorescência de dois fótons de uma espinha dendrítica de um neurônio atrás do crânio do rato, com resolução espacial próxima ao limite de difração. Normalmente, um microscópio convencional de dois fótons não pode resolver a delicada estrutura da espinha dendrítica sem remover inteiramente o tecido cerebral do crânio. Esta é uma conquista altamente significativa, enquanto o grupo sul-coreano demonstrou a primeira imagem de alta resolução de redes neurais através de um crânio de camundongo intacto. Isso significa que agora é possível investigar o cérebro do camundongo em seus estados mais nativos.

O professor pesquisador Yoon Seokchan e o estudante de graduação Lee Hojun, quem conduziu o estudo, disse, "Ao corrigir a distorção da frente de onda, podemos focalizar a energia da luz no local desejado dentro do tecido vivo ... Nosso microscópio nos permite investigar estruturas internas finas nas profundezas dos tecidos vivos que não podem ser resolvidas por qualquer outro meio. Isso nos ajudará muito no diagnóstico precoce de doenças e agilizará a pesquisa em neurociência. "

Os pesquisadores definiram sua próxima direção de pesquisa para minimizar o fator de forma do microscópio e aumentar sua velocidade de imagem. O objetivo é o desenvolvimento de um microscópio de matriz reflexiva sem rótulo com alta profundidade de imagem para uso em clínicas.

O vice-diretor Choi Wonshik disse:"O microscópio de matriz de reflexão é a tecnologia de última geração que vai além das limitações dos microscópios ópticos convencionais. Isso nos permitirá ampliar nossa compreensão da propagação da luz através de meios de espalhamento e expandir o escopo de aplicações que um microscópio óptico pode explorar."