Investigadores dirigidos por el Director Asociado CHOI Wonshik del Centro de Espectroscopia Molecular y Dinámica 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 lograr «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 graves1 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 onda2 de la luz que se reflejó desde el objetivo a observar. Sin embargo, 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.

En 2019, por primera vez, los investigadores del IBS desarrollaron el microscopio holográfico de resolución temporal de alta velocidad3 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 hace 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 las 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.

El equipo de investigación realizó 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 (IF 14.136) el 28 de julio.

*Como referencia, el cráneo del ratón tiene un grosor y una opacidad similares a los de una uña humana.

Glosario :

1) La aberración es un fenómeno que ocurre debido a la variación de la velocidad de la luz en función del índice de refracción del medio. Esto significa que cuando se forma la imagen, todos los rayos de luz no se reúnen en un punto, lo que hace que la imagen se vuelva borrosa y distorsionada.

2) Frente de onda se refiere a un plano que se forma al conectar todos los puntos de la misma fase de la onda. Por ejemplo, el frente de onda que se crea al arrojar una piedra a un lago es circular.

3) Microscopio holográfico de resolución temporal : la microscopía holográfica es una tecnología que detecta la amplitud y la fase de la luz mediante el efecto de interferencia de la luz que se produce cuando los dos rayos láser se encuentran. En particular, un microscopio holográfico de resolución temporal puede adquirir selectivamente una señal óptica a una profundidad específica mediante el uso de una fuente de luz con una longitud de interferencia muy corta de alrededor de 10 μm.