Figura 1. Microscopio holográfico 3D de superprofundidad Un microscopio holográfico 3D de superprofundidad desarrollado por investigadores del Centro IBS de Espectroscopía y Dinámica Molecular. Es posible observar la red neuronal de los organismos vivos aumentando la relación de señal óptica objetivo y aumentando la velocidad y profundidad de adquisición de imágenes. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Los investigadores dirigidos por el Director Asociado Choi Wonshik del Centro de Espectroscopia y Dinámica Molecular del Instituto de Ciencias Básicas, el profesor Kim Moonseok de la Universidad Católica de Corea y el profesor Choi Myunghwan de la Universidad Nacional de Seúl desarrollaron un nuevo tipo de microscopio holográfico. Se dice que el nuevo microscopio puede "ver a través" del cráneo intacto y es capaz de obtener imágenes en 3D de alta resolución de la red neuronal dentro del cerebro de un ratón vivo sin quitar el cráneo.
Para escudriñar las características internas de un organismo vivo usando luz, es necesario A) suministrar suficiente energía luminosa a la muestra y B) medir con precisión la señal reflejada desde el tejido objetivo. Sin embargo, en los tejidos vivos tienden a producirse múltiples efectos de dispersión y aberraciones graves cuando la luz incide en las células, lo que dificulta la obtención de imágenes nítidas.
En estructuras complejas como el tejido vivo, la luz sufre una dispersión múltiple, lo que hace que los fotones cambien aleatoriamente de dirección varias veces a medida que viajan a través del tejido. Debido a este proceso, gran parte de la información de la imagen transportada por la luz se arruina. Sin embargo, incluso si se trata de una cantidad muy pequeña de luz reflejada, es posible observar las características ubicadas relativamente profundas dentro de los tejidos al corregir la distorsión del frente de onda de la luz que se reflejó desde el objetivo a observar. Aún así, los efectos de dispersión múltiple mencionados anteriormente interfieren con este proceso de corrección. Por lo tanto, para obtener una imagen de tejido profundo de alta resolución, es importante eliminar las ondas de dispersión múltiple y aumentar la proporción de ondas de dispersión única.
Figura 2. Características de la señal reflejada según el ángulo de incidencia (A) Si el objeto es pequeño o tiene una estructura lineal, la forma de onda de la señal reflejada de las ondas dispersas individuales permanece similar incluso cuando se cambia el ángulo de incidencia. (B) Sin embargo, la forma de onda de la señal reflejada de las ondas de dispersión múltiple cambia sin similitud incluso con un ligero cambio en el ángulo de incidencia. Usando estas propiedades entre frentes de onda, los componentes de dispersión únicos y los componentes de dispersión múltiples se pueden separar entre sí. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
En 2019, los investigadores del IBS desarrollaron el microscopio holográfico de resolución temporal de alta velocidad que puede eliminar la dispersión múltiple y medir simultáneamente la amplitud y la fase de la luz. Usaron este microscopio para observar la red neuronal de peces vivos sin cirugía de incisión. Sin embargo, en el caso de un ratón que tiene un cráneo más grueso que el de un pez, no fue posible obtener una imagen de la red neuronal del cerebro sin quitar o adelgazar el cráneo, debido a la severa distorsión de la luz y la dispersión múltiple que ocurre cuando el la luz viaja a través de la estructura ósea.
El equipo de investigación logró analizar cuantitativamente la interacción entre la luz y la materia, lo que les permitió mejorar aún más su microscopio anterior. En este estudio reciente, informaron sobre el desarrollo exitoso de un microscopio holográfico tridimensional de gran profundidad con resolución temporal que permite la observación de tejidos a una profundidad mayor que nunca.
Específicamente, los investigadores idearon un método para seleccionar preferentemente ondas de dispersión única aprovechando el hecho de que tienen formas de onda de reflexión similares incluso cuando la luz entra desde varios ángulos. Esto se hizo mediante un algoritmo complejo y una operación numérica que analiza el modo propio de un medio (una onda única que entrega energía luminosa a un medio), lo que permite encontrar un modo de resonancia que maximiza la interferencia constructiva (interferencia que ocurre cuando ondas de la misma superposición de fase) entre frentes de onda de luz. Esto permitió que el nuevo microscopio enfocara más de 80 veces la energía de la luz en las fibras neurales que antes, mientras eliminaba selectivamente las señales innecesarias. Esto permitió que la proporción de ondas de dispersión única frente a ondas de dispersión múltiple aumentara en varios órdenes de magnitud.
Figura 3. Se observó una red neuronal en el cerebro de un ratón vivo sin quitar el cráneo (A). La red neuronal del cerebro se imaginó con éxito utilizando una fuente de luz en la región de longitud de onda visible. Solo se quitó la piel de un ratón vivo y se dejó intacto el cráneo. (B) Usando la tecnología anterior, no fue posible corregir la aberración compleja debido a las severas ondas dispersas múltiples generadas en el cráneo, lo que imposibilita obtener una imagen coherente. (C) Sin embargo, el algoritmo desarrollado por el equipo de investigación permitió la eliminación selectiva de múltiples componentes de dispersión entre la señal reflejada, lo que permite corregir la aberración del frente de onda. (D) Esto les permitió resolver la fina estructura de las fibras neurales dentro del cerebro. E, F) Las imágenes de proyección de alta resolución visualizan los osteocitos dentro del cráneo del ratón, que florecen entre las capas óseas y la duramadre y G) la red neuronal obtenida por el microscopio. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
El equipo de investigación continuó la demostración de esta nueva tecnología mediante la observación del cerebro del ratón. El microscopio pudo corregir la distorsión del frente de onda incluso a una profundidad que antes era imposible con la tecnología existente. El nuevo microscopio logró obtener una imagen de alta resolución de la red neuronal del cerebro del ratón debajo del cráneo. Todo esto se logró en la longitud de onda visible sin quitar el cráneo del ratón y sin requerir una etiqueta fluorescente.
El profesor Kim Moonseok y el Dr. Jo Yonghyeon, quienes desarrollaron la base del microscopio holográfico, dijeron:"Cuando observamos por primera vez la resonancia óptica de medios complejos, nuestro trabajo recibió una gran atención por parte del mundo académico. Desde los principios básicos hasta la aplicación práctica de la observación de la red neuronal debajo del cráneo del ratón, hemos abierto una nueva vía para la tecnología convergente de neuroimagen cerebral al combinar los esfuerzos de personas talentosas en física, vida y ciencia del cerebro".
El director asociado, Choi Wonshik, dijo:"Durante mucho tiempo, nuestro Centro ha desarrollado una tecnología de bioimagen de gran profundidad que aplica principios físicos. Se espera que nuestro hallazgo actual contribuya en gran medida al desarrollo de la investigación interdisciplinaria biomédica, incluida la neurociencia y la industria de la precisión. metrología."
Esta investigación fue publicada en la edición en línea de la revista Science Advances el 28 de julio. + Explora más
