Para criar alta resolução, Imagens 3D de tecidos, como o cérebro, pesquisadores costumam usar microscopia de dois fótons, que envolve apontar um laser de alta intensidade na amostra para induzir a excitação de fluorescência. Contudo, escanear as profundezas do cérebro pode ser difícil porque a luz se espalha pelos tecidos à medida que vai mais fundo, tornando as imagens desfocadas.

A imagem de dois fótons também é demorada, como geralmente requer a varredura de pixels individuais, um de cada vez. Uma equipe de pesquisadores do MIT e da Universidade de Harvard desenvolveu agora uma versão modificada da imagem de dois fótons que pode obter imagens mais profundas do tecido e realizar a imagem muito mais rapidamente do que era possível anteriormente.

Este tipo de imagem pode permitir que os cientistas obtenham mais rapidamente imagens de alta resolução de estruturas como vasos sanguíneos e neurônios individuais dentro do cérebro, dizem os pesquisadores.

"Ao modificar o feixe de laser que entra no tecido, mostramos que podemos ir mais fundo e fazer imagens mais finas do que as técnicas anteriores, "diz Murat Yildirim, um cientista pesquisador do MIT e um dos autores do novo estudo.

O estudante de graduação do MIT Cheng Zheng e o ex-pós-doutorado Jong Kang Park são os principais autores do artigo, que aparece hoje em Avanços da Ciência . Dushan N. Wadduwage, um ex-pós-doutorado do MIT que agora é John Harvard Distinguished Science Fellow em Imaging no Center for Advanced Imaging da Harvard University, é o autor sênior do artigo. Outros autores incluem Josiah Boivin, um pós-doutorado no MIT; Yi Xue, um ex-aluno de pós-graduação do MIT; Mriganka Sur, o Newton Professor of Neuroscience no MIT; e Peter So, professor de engenharia mecânica e de engenharia biológica do MIT.

Imagem profunda

A microscopia de dois fótons funciona iluminando um feixe intenso de luz infravermelha próxima em um único ponto dentro de uma amostra, induzindo a absorção simultânea de dois fótons no ponto focal, onde a intensidade é maior. Este comprimento de onda longo, luz de baixa energia pode penetrar mais profundamente no tecido sem danificá-lo, permitindo imagens abaixo da superfície.

Contudo, a excitação de dois fótons gera imagens por fluorescência, e o sinal fluorescente está na região espectral visível. Ao obter imagens mais profundas em amostras de tecido, a luz fluorescente se espalha mais e a imagem fica embaçada. A obtenção de imagens de várias camadas de tecido também consome muito tempo. Usando imagens de campo amplo, em que todo um plano de tecido é iluminado de uma vez, pode acelerar o processo, mas a resolução dessa abordagem não é tão grande quanto a da varredura ponto a ponto.

A equipe do MIT queria desenvolver um método que lhes permitisse obter imagens de uma grande amostra de tecido de uma só vez, ao mesmo tempo em que mantém a alta resolução da digitalização ponto a ponto. Para conseguir isso, eles descobriram uma maneira de manipular a luz que incidem sobre a amostra. Eles usam uma forma de microscopia de campo amplo, brilhar um plano de luz sobre o tecido, mas modifique a amplitude da luz para que eles possam ligar ou desligar cada pixel em momentos diferentes. Alguns pixels estão acesos, enquanto os pixels próximos permanecem escuros, e este padrão predefinido pode ser detectado na luz espalhada pelo tecido.

"Podemos ligar ou desligar cada pixel por este tipo de modulação, "Zheng diz." Se desligarmos alguns dos pontos, que cria espaço em torno de cada pixel, então agora podemos saber o que está acontecendo em cada um dos pontos individuais. "

Depois que os pesquisadores obtêm as imagens brutas, eles reconstroem cada pixel usando um algoritmo de computador que eles criaram.

"Nós controlamos a forma da luz e obtemos a resposta do tecido. A partir dessas respostas, tentamos resolver que tipo de dispersão o tecido tem. À medida que fazemos as reconstruções de nossas imagens brutas, podemos obter muitas informações que você não pode ver nas imagens brutas, "Diz Yildirim.

Usando esta técnica, os pesquisadores mostraram que podiam criar imagens de cerca de 200 mícrons em fatias de tecido muscular e renal, e cerca de 300 mícrons no cérebro de camundongos. Isso é duas vezes mais profundo do que era possível sem essa excitação padronizada e reconstrução computacional, Yildirim diz. A técnica também pode gerar imagens de cerca de 100 para 1, 000 vezes mais rápido do que a microscopia convencional de dois fótons.

Estrutura do cérebro

Este tipo de imagem deve permitir aos pesquisadores obter mais rapidamente imagens de alta resolução de neurônios no cérebro, bem como outras estruturas, como vasos sanguíneos. A imagem dos vasos sanguíneos no cérebro de camundongos pode ser particularmente útil para aprender mais sobre como o fluxo sanguíneo é afetado por doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Yildirim diz.

"Todos os estudos de fluxo sanguíneo ou morfologia das estruturas dos vasos sanguíneos são baseados em sistemas de varredura de dois ou três fótons, então eles são lentos, "diz ele." Ao usar esta tecnologia, podemos realmente realizar imagens volumétricas de alta velocidade do fluxo sanguíneo e da estrutura dos vasos sanguíneos para entender as mudanças no fluxo sanguíneo. "

A técnica também pode servir para medir a atividade neuronal, adicionando corantes fluorescentes sensíveis à voltagem ou sondas fluorescentes de cálcio que acendem quando os neurônios estão excitados. Também pode ser útil para analisar outros tipos de tecido, incluindo tumores, onde pode ser usado para ajudar a determinar as bordas de um tumor.