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  • 一種新的全息顯微鏡使科學家能夠透過頭骨看到大腦的圖像

    【字體: 時間:2022年09月20日 來源:

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      一種新的全息顯微鏡使科學家能夠透過頭骨看到大腦的圖像;诓ㄐU惴ǖ男滦蜔o標簽深度組織成像,通過聚焦光,濾除不需要的多個散射光波,獲得顱骨完好的小鼠大腦精細神經網絡。

      
       

    Figure 1. Super-depth 3D holographic microscope    

    圖片:由IBS分子光譜學和動力學中心的研究人員開發的超深度3D全息顯微鏡。通過提高目標光信號比,提高圖像采集速度和深度,可以觀察到生物的神經網絡。    

    圖片來源:基礎科學研究所

    基礎科學研究所分子光譜學和動力學中心副主任崔元植、天主教大學教授金文錫、首爾大學教授崔明煥等研究小組開發出了新型全息顯微鏡。據說,這種新型顯微鏡可以實現“透視”完整的顱骨,并且能夠在不移除顱骨的情況下對活體小鼠大腦內的神經網絡進行高分辨率3D成像。

    *作為參考,老鼠頭骨的厚度和透明度與人的指甲相似。

    為了利用光仔細觀察生物體的內部特征,有必要a)向樣品提供足夠的光能B)精確測量從目標組織反射的信號。然而,在活體組織中存在多種散射效應和嚴重的像差1)往往發生在光線照射到細胞時,這使得難以獲得清晰的圖像。

    在像活組織這樣的復雜結構中,光會經歷多次散射,這導致光子在穿過組織時,會隨機改變幾次方向。由于這個過程,許多光所攜帶的圖像信息被破壞了。然而,即使是非常少量的反射光,也可以通過校正波前來觀察位于組織內部相對較深處的特征2)被觀察目標反射的光的失真。然而,上述多重散射效應干擾了這一校正過程。因此,為了獲得高分辨率的深部組織圖像,去除多散射波,增加單散射波的比例是很重要的。

    早在2019年,IBS的研究人員就首次開發了高速時間分辨全息顯微鏡3)可以消除多次散射,同時測量光的振幅和相位。他們使用這種顯微鏡來觀察活魚的神經網絡,而不需要進行切口手術。然而,對于顱骨比魚厚的老鼠來說,由于光線在穿過骨骼結構時發生了嚴重的光畸變和多次散射,如果不移除或變薄顱骨,就不可能獲得大腦的神經網絡圖像。

    研究團隊成功地定量分析了光和物質之間的相互作用,這使他們能夠進一步改進之前的顯微鏡。在最近的這項研究中,他們報道了一種超深度、三維時間分辨全息顯微鏡的成功開發,該顯微鏡可以比以往任何時候都更深入地觀察組織。

    具體來說,研究人員設計了一種方法,利用即使從不同角度輸入光,它們也有相似的反射波形,優先選擇單散射波。這是通過一個復雜的算法和一個數值運算來完成的,該運算分析了一個介質的本征模(一種將光能傳遞到介質中的唯一波),這允許找到一種共振模式,該模式最大限度地提高了光的波面之間的構造干涉(當相同相位的波重疊時發生的干涉)。這使得新顯微鏡能夠比以前聚焦超過80倍的光能在神經纖維上,同時選擇性地去除不必要的信號。這使得單散射波與多散射波的比率提高了幾個數量級。

    研究小組通過觀察老鼠的大腦,對這項新技術進行了演示。該顯微鏡能夠糾正波前畸變的深度,這是以前使用現有技術不可能做到的。這種新型顯微鏡成功地獲得了老鼠顱骨下神經網絡的高分辨率圖像。這一切都是在可見波長下完成的,不需要移除老鼠頭骨,也不需要熒光標簽。

    奠定全息顯微鏡基礎的金文錫教授和趙龍賢博士表示:“第一次觀測復雜介質的光學共振時,受到了學術界的高度關注。從基本原理到觀察老鼠頭骨下的神經網絡的實際應用,我們結合了物理學、生活和腦科學領域的人才的努力,開辟了腦神經成像融合技術的新途徑!

    副主任CHOI Wonshik說:“很長一段時間以來,我們的中心開發了應用物理原理的超深度生物成像技術。預計我們目前的發現將對包括神經科學和精密計量工業在內的生物醫學跨學科研究的發展做出巨大貢獻!


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