Um novo microscópio holográfico permite que os cientistas vejam através do crânio e visualizem o cérebro do rato

Figura 1. Microscópio holográfico 3D de superprofundidadeUm microscópio holográfico 3D de superprofundidade desenvolvido por pesquisadores do IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics. É possível observar a rede neural de organismos vivos aumentando a relação do sinal óptico alvo e aumentando a velocidade e a profundidade de aquisição da imagem. Crédito:Instituto de Ciências Básicas

Pesquisadores liderados pelo Diretor Associado Choi Wonshik do Centro de Espectroscopia Molecular e Dinâmica do Instituto de Ciências Básicas, Professor Kim Moonseok da Universidade Católica da Coreia, e Professor Choi Myunghwan da Universidade Nacional de Seul desenvolveram um novo tipo de microscópio holográfico. Diz-se que o novo microscópio pode "ver através" do crânio intacto e é capaz de imagens 3D de alta resolução da rede neural dentro de um cérebro de rato vivo sem remover o crânio.
Para examinar as características internas de um organismo vivo usando luz, é necessário A) fornecer energia luminosa suficiente à amostra e B) medir com precisão o sinal refletido do tecido alvo. No entanto, em tecidos vivos, múltiplos efeitos de espalhamento e graves aberrações tendem a ocorrer quando a luz atinge as células, o que dificulta a obtenção de imagens nítidas.

Em estruturas complexas, como tecidos vivos, a luz sofre espalhamento múltiplo, o que faz com que os fótons mudem aleatoriamente sua direção várias vezes enquanto viajam pelo tecido. Devido a este processo, grande parte da informação da imagem transportada pela luz fica arruinada. No entanto, mesmo que seja uma quantidade muito pequena de luz refletida, é possível observar as características localizadas relativamente profundas dentro dos tecidos corrigindo a distorção da frente de onda da luz que foi refletida do alvo a ser observado. Ainda assim, os múltiplos efeitos de espalhamento mencionados acima interferem nesse processo de correção. Portanto, para obter uma imagem de tecido profundo de alta resolução, é importante remover as ondas espalhadas múltiplas e aumentar a proporção das ondas espalhadas simples.

Figura 2. Características do sinal refletido de acordo com o ângulo de incidência (A) Se o objeto for pequeno ou tiver estrutura linear, a forma de onda do sinal refletido das ondas espalhadas únicas permanece semelhante mesmo quando o ângulo de incidência é alterado. (B) No entanto, a forma de onda do sinal refletido das ondas múltiplas espalhadas muda sem similaridade mesmo com uma ligeira mudança no ângulo de incidência. Usando essas propriedades entre frentes de onda, componentes de espalhamento único e vários componentes de espalhamento podem ser separados uns dos outros. Crédito:Instituto de Ciências Básicas

Em 2019, os pesquisadores da IBS desenvolveram o microscópio holográfico resolvido no tempo de alta velocidade que pode eliminar a dispersão múltipla e medir simultaneamente a amplitude e a fase da luz. Eles usaram este microscópio para observar a rede neural de peixes vivos sem cirurgia incisional. No entanto, no caso de um camundongo que tem um crânio mais espesso que o de um peixe, não foi possível obter uma imagem da rede neural do cérebro sem remover ou afinar o crânio, devido à grave distorção da luz e à dispersão múltipla que ocorre quando o luz viaja através da estrutura óssea.

A equipe de pesquisa conseguiu analisar quantitativamente a interação entre luz e matéria, o que lhes permitiu melhorar ainda mais seu microscópio anterior. Neste estudo recente, eles relataram o desenvolvimento bem-sucedido de um microscópio holográfico tridimensional de superprofundidade e resolução temporal que permite a observação de tecidos a uma profundidade maior do que nunca.

Especificamente, os pesquisadores desenvolveram um método para selecionar preferencialmente ondas de dispersão única, aproveitando o fato de que elas têm formas de onda de reflexão semelhantes, mesmo quando a luz é recebida de vários ângulos. Isso foi feito por um algoritmo complexo e uma operação numérica que analisa o modo próprio de um meio (uma onda única que fornece energia luminosa a um meio), o que permite encontrar um modo de ressonância que maximiza a interferência construtiva (interferência que ocorre quando ondas de a mesma sobreposição de fase) entre frentes de onda de luz. Isso permitiu que o novo microscópio concentrasse mais de 80 vezes a energia da luz nas fibras neurais do que antes, enquanto removeva seletivamente sinais desnecessários. Isso permitiu que a proporção de ondas espalhadas simples versus ondas espalhadas múltiplas fosse aumentada em várias ordens de magnitude.

Figura 3. Uma rede neural no cérebro de um camundongo vivo foi observada sem a remoção do crânio (A). A rede neural do cérebro foi fotografada com sucesso usando uma fonte de luz na região do comprimento de onda visível. Apenas a pele de um camundongo vivo foi removida e o crânio foi deixado intacto. (B) Usando a tecnologia anterior, não foi possível corrigir a aberração complexa devido às graves múltiplas ondas espalhadas geradas no crânio, o que impossibilita a obtenção de qualquer imagem coerente. (C) No entanto, o algoritmo desenvolvido pela equipe de pesquisa permitiu a remoção seletiva de vários componentes de espalhamento entre o sinal refletido, o que permite que a aberração da frente de onda seja corrigida. (D) Isso permitiu que eles resolvessem a estrutura fina das fibras neurais dentro do cérebro. E, F) Imagens de projeção de alta resolução visualizam os osteócitos dentro do crânio do camundongo, que florescem entre as camadas ósseas e a dura-máter e G) rede neural obtida pelo microscópio. Crédito:Instituto de Ciências Básicas

A equipe de pesquisa continuou a demonstração dessa nova tecnologia observando o cérebro do rato. O microscópio foi capaz de corrigir a distorção da frente de onda mesmo em uma profundidade que antes era impossível usando a tecnologia existente. O novo microscópio conseguiu obter uma imagem de alta resolução da rede neural do cérebro do rato sob o crânio. Tudo isso foi alcançado no comprimento de onda visível sem remover o crânio do camundongo e sem exigir um rótulo fluorescente.

O professor Kim Moonseok e o Dr. Jo Yonghyeon, que desenvolveram a base do microscópio holográfico, disseram:"Quando observamos pela primeira vez a ressonância óptica de meios complexos, nosso trabalho recebeu grande atenção da academia. Dos princípios básicos à aplicação prática da observação do rede neural sob o crânio do rato, abrimos um novo caminho para a tecnologia convergente de neuroimagem cerebral, combinando os esforços de pessoas talentosas em física, vida e ciência do cérebro."

O diretor associado Choi Wonshik disse:"Por um longo tempo, nosso Centro desenvolveu tecnologia de bioimagem superprofunda que aplica princípios físicos. metrologia."

Esta pesquisa foi publicada na edição online da revista Science Advances em 28 de julho. + Explorar mais