Ученые изобрели микроскоп нового типа, который позволяет увидеть биологические ткани сквозь неповрежденный череп. В нем используется комбинация аппаратной и программной адаптивной оптики для восстановления изображения объекта.
Неинвазивные микроскопические методы, такие как оптическая когерентная и двухфотонная микроскопия, обычно используются для визуализации живых тканей in vivo. Когда свет проходит через биологические ткани, генерируются два типа света: баллистические и многократно рассеянные фотоны.
Баллистические фотоны проходят прямо через объект, без отклонения. Они используются для восстановления изображения объекта. В свою очередь, многократно рассеянные фотоны генерируются с помощью случайных отклонений при прохождении света через материал. В итоге они проявляются как зернистый шум на изображении. По мере того как свет распространяется все дальше, разница между рассеянными и баллистическими фотонами все возрастает, тем самым скрывая информацию об изображении.
У костных тканей множество сложных внутренних структур. Они вызывают сильное многократное рассеяние света и сложные оптические аберрации. Когда необходимо получить оптическое изображение мозга мыши через неповрежденный череп, тонкие структуры нервной системы трудно визуализировать. Мешает зернистый шум и другие искажения изображения. Это серьезное препятствие в нейробиологических исследованиях, где мыши часто используются в качестве модельного объекта. Из-за таких ограничений в методах визуализации череп мышей необходимо удалить или истончить, чтобы исследовать нейронные сети тканей мозга под ним.
Группа исследователей под руководством профессора Чои Воншика из Центра молекулярной спектроскопии и динамики Института фундаментальных наук (IBS) в Сеуле, Южная Корея, совершила крупный прорыв в оптической визуализации глубоких тканей. Они разработали новый оптический микроскоп, который может получать изображения через неповрежденный череп мыши. В итоге ученым доступна микроскопическая карта нейронных сетей в тканях мозга без потери пространственного разрешения.
Новый микроскоп с отражающей матрицей и сочетает в себе возможности как аппаратного обеспечения, так и вычислительной адаптивной оптики (AO). Эта технология изначально разрабатывалась для наземной астрономии, чтобы корректировать оптических аберрации. Обычный конфокальный микроскоп измеряет сигнал отражения только в фокусной точке освещения и отбрасывает весь нефокусный свет.
Новый микроскоп с отражающей матрицей регистрирует все рассеянные фотоны в положениях, отличных от фокусной точки. Затем рассеянные фотоны корректируются с помощью вычислений с использованием нового алгоритма CLASS (замкнутое накопление однократного рассеяния. Этот алгоритм АО использует весь рассеянный свет для выборочного извлечения баллистического света и исправления оптических аберраций.
У микроскопа с отражательной матрицей есть большое преимущество в том, что его можно напрямую комбинировать с обычным двухфотонным микроскопом, который уже широко используется в области наук о жизни.
Наш микроскоп позволяет исследовать тонкие внутренние структуры глубоко в живых тканях. Это очень поможет в ранней диагностике заболеваний и ускорит исследования в области нейробиологии.
