Un nuevo sistema de microscopio óptico llamado microscopía óptica funcional basada en imágenes y estimulación (SIFOM) puede estimular múltiples células simultáneamente a través de un método holográfico y monitorear la actividad celular después de la estimulación usando mediciones 3-D basadas en holografía de fluorescencia. Este sistema tiene aplicaciones potenciales como herramienta para la reconstrucción de vías nerviosas perdidas, la construcción de redes neuronales artificiales, y desarrollo de los recursos alimentarios. El concepto de SIFOM y la verificación de viabilidad se publicaron el 1 de noviembre en Letras de óptica .

Hay muchas técnicas ópticas, incluyendo microscopía de contraste de fase, microscopio fluorescente, microscopía multifotónica y microscopía de fluorescencia superesuelta. Los recientes avances en la tecnología óptica han permitido a los científicos visualizar la estructura ultrafina de las células y sus funciones in vitro e in vivo. Los investigadores ahora pueden usar la luz para manipular la actividad celular, una técnica llamada optogenética, mediante el uso de canalrodopsina u otras proteínas relacionadas (ver figura 1). Sin embargo, la actual estimulación de luz basada en optogenética utilizada para manipular la actividad celular es demasiado simple, utilizando exposición uniforme por LED o mediante fibras ópticas, por lo que solo es posible un bajo nivel de manipulación celular.

Este estudio propone un nuevo sistema de microscopio óptico denominado SIFOM (figura 2). El SIFOM consta de dos subfunciones:observación 3-D de células y estimulación 3-D de células basada en holografía digital. Este es el primer microscopio equipado con tecnología que puede realizar simultáneamente observación y estimulación en 3D, y tiene aplicaciones potenciales como herramienta innovadora en las ciencias de la vida. Usando fotografía sin escaneo de alta velocidad, esta tecnología nos permite obtener información sobre múltiples eventos que ocurren en el espacio 3-D en un período de tiempo muy corto.

Como experimento de verificación, el equipo utilizó células de cáncer de pulmón y perlas fluorescentes de unos 10 micrómetros de tamaño. Registraron un holograma fluorescente en un estado desenfocado desde la posición focal en la dirección de la profundidad y lograron la reconstrucción tanto de las células como de las perlas fluorescentes (figura 3).

Durante el experimento de verificación, pudieron observar la estimulación lumínica de un máximo de cinco células a la vez. El número máximo de células estimuladas se determina principalmente porque no hay suficiente potencia lumínica para la estimulación. En el espacio 2-D (bidimensional), Se espera que la estimulación luminosa simultánea sea posible para más de 100 células, y en el futuro el equipo tiene como objetivo ampliar la profundidad de estimulación a unos pocos cientos de micrómetros utilizando estimulación de dos fotones.

Para observar células vivas, hay un límite al poder de la fluorescencia para evitar dañar las células, por lo que se requieren mediciones de alta sensibilidad. El equipo tiene como objetivo superar estos problemas y preparar el nuevo sistema de microscopía óptica para su uso práctico. El profesor Matoba comenta:"Tenemos una beca de investigación de JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Japón para fabricar un SIFOM y luego aplicarlo a un mayor desarrollo de la neurociencia. Colaboraremos con empresas para introducir el nuevo microscopio óptico en el mercado comercial ".