تصاویر میکروسکوپ ماتریس بازتابی جدید از مغز موش از طریق جمجمه دست نخورده

شماتیک میکروسکوپ ماتریس بازتابی که توسط محققان مرکز تحقیقاتی طیف‌سنجی مولکولی و دینامیک IBS ساخته شده است. این سیستم از اسکن کانفوکال و تداخل سنج ماخ زندر مشابه میکروسکوپ انسجام نوری استفاده می کند. با این حال، به جای تشخیص هم کانونی، تصاویر تداخل سنجی امواج منعکس شده از نمونه با استفاده از دوربین اندازه گیری می شوند. علاوه بر این، یک مدولاتور نور فضایی (SLM) برای اصلاح فیزیکی اعوجاج جبهه موج ناشی از نمونه معرفی شده است. (BS: تقسیم پرتو، GMx/y: آینه گالوو، DG: توری پراش، sDM: آینه دو رنگ طیفی، OL: عدسی عینی). اعتبار تصویر: موسسه علوم پایه.

تصاویر میکروسکوپ ماتریس بازتابی جدید از مغز موش از طریق جمجمه دست نخورده

تصویربرداری in vivo از بافت‌های زنده معمولاً از طریق تکنیک‌های میکروسکوپی غیرتهاجمی مانند میکروسکوپ انسجام نوری و میکروسکوپ دو فوتونی انجام می‌شود.

دو نوع نور - فوتون‌های پراکنده چند برابر و فوتون‌های بالستیک - زمانی تولید می‌شوند که نور از میان مواد کدر مانند بافت‌های بیولوژیکی عبور می‌کند. فوتون‌های بالستیک تمایل دارند مستقیماً در میان جسم حرکت کنند، بدون اینکه دچار انحراف شوند. بنابراین، از این نوع نور برای بازسازی تصویر جسم استفاده می شود.

در مقابل، فوتون های پراکنده ضرب به دلیل انحرافات تصادفی زمانی که نور از مواد عبور می کند و به صورت نویز لکه ای در تصویر بازسازی شده ظاهر می شود، تولید می شود. با انتشار نور در فواصل طولانی تر، نسبت بین فوتون های بالستیک و ضرب پراکنده شده به طور چشمگیری افزایش می یابد، بنابراین اطلاعات تصویر پنهان می شود.

جدا از نویز تولید شده توسط نور پراکنده چند برابری، انحراف نوری نور بالستیک نیز منجر به تاری تصویر و کاهش کنتراست در طول فرآیند بازسازی تصویر می شود.

به طور خاص، بافت های استخوانی شامل چندین ساختار داخلی پیچیده است که باعث انحراف نوری پیچیده و پراکندگی نور چندگانه شدید می شود. هنگام انجام تصویربرداری نوری از مغز موش از طریق جمجمه دست نخورده، تجسم ساختارهای ظریف سیستم عصبی به دلیل نویز لکه‌ای قوی و اعوجاج تصویر بسیار دشوار است.

این امر مشکلاتی را در تحقیقات علوم اعصاب ایجاد می کند که شامل استفاده گسترده از موش به عنوان ارگانیسم مدل می شود. معایب تکنیک‌های تصویربرداری موجود، نیاز به برداشتن یا نازک شدن جمجمه برای تجزیه و تحلیل میکروسکوپی شبکه‌های عصبی بافت‌های مغزی زیر آن دارد.

بنابراین، محققان راه حل های دیگری را برای درک تصویربرداری عمیق تر از بافت های زنده پیشنهاد کرده اند. به عنوان مثال، در سال های اخیر، میکروسکوپ سه فوتونی با موفقیت برای تصویربرداری از نورون های زیر جمجمه موش استفاده شده است.

با این حال، میکروسکوپ سه فوتونی با سرعت کم تکرار لیزری محدود می‌شود، زیرا شامل استفاده از یک پنجره تحریک در محدوده مادون قرمز است که می‌تواند بافت زنده را در طول تصویربرداری in vivo از بین ببرد. علاوه بر این، قدرت تحریک بسیار بالایی دارد، به این معنی که فتوبلیچینگ نسبت به روش دو فوتونی گسترده‌تر است.

گروهی از محققان به سرپرستی پروفسور Wonshik Choi از مرکز طیف‌سنجی مولکولی و دینامیک در موسسه علوم پایه (IBS) در سئول، کره جنوبی اخیراً به پیشرفت قابل توجهی در تصویربرداری نوری بافت عمیق دست یافته‌اند.

آنها یک میکروسکوپ نوری خلاقانه با توانایی تصویربرداری از جمجمه دست نخورده موش و ایجاد نقشه میکروسکوپی از شبکه های عصبی در بافت های مغز بدون از دست دادن وضوح فضایی ایجاد کردند.

میکروسکوپ جدید که به عنوان یک میکروسکوپ ماتریس بازتابی نامگذاری شده است، قدرت های سخت افزاری و اپتیک تطبیقی ​​محاسباتی (AO) را یکپارچه می کند - یک فناوری که در اصل برای ستاره شناسی زمینی برای اصلاح انحرافات نوری ایجاد شده است.

میکروسکوپ کانفوکال سنتی سیگنال انعکاس را فقط در نقطه کانونی روشنایی اندازه می‌گیرد و تمام نورهای خارج از فوکوس را دور می‌اندازد. در مقابل، تمام فوتون های پراکنده شده در موقعیت هایی غیر از نقطه کانونی توسط میکروسکوپ ماتریس بازتابی ثبت می شوند.

سپس، فوتون های پراکنده شده به کمک یک الگوریتم AO ابتکاری به نام تجمع حلقه بسته پراکندگی منفرد (CLASS) که توسط تیم در سال 2017 توسعه داده شد، به صورت محاسباتی تصحیح می شوند. این الگوریتم از تمام نور پراکنده برای استخراج انتخابی نور بالستیک استفاده می کند. انحراف نوری شدید را اصلاح کنید.

برخلاف سنتی‌ترین سیستم‌های میکروسکوپ AO، که به اجسام فلورسنت یا بازتابنده‌های نقطه‌مانند درخشان به عنوان ستاره‌های راهنما کاملاً مشابه استفاده از AO در نجوم نیاز دارند، میکروسکوپ ماتریس بازتابی بدون نیاز به برچسب‌گذاری فلورسنت و بدون تکیه بر هدف کار می‌کند. سازه های.

علاوه بر این، تعداد حالت‌های انحراف قابل اصلاح بیش از 10 برابر بیشتر از سیستم‌های AO سنتی است. میکروسکوپ ماتریس بازتابی دارای مزیت بالاتری است زیرا می توان آن را مستقیماً با یک میکروسکوپ سنتی دو فوتونی که قبلاً در زمینه علوم زیستی به طور گسترده استفاده می شود ادغام کرد.

برای از بین بردن انحراف ناشی از پرتو تحریک میکروسکوپ دو فوتونی، محققان اپتیک تطبیقی ​​مبتنی بر سخت افزار را به میکروسکوپ ماتریس بازتابی اضافه کردند تا انحراف جمجمه موش را جبران کنند.

قابلیت‌های میکروسکوپ جدید با گرفتن تصاویر فلورسانس دو فوتونی از ستون فقرات دندریتیک یک نورون در زیر جمجمه موش، با وضوح فضایی نزدیک به حد پراش نشان داده شد.

به طور کلی، یک میکروسکوپ سنتی دو فوتونی توانایی تشخیص ساختار ظریف ستون فقرات دندریت را بدون حذف کامل بافت مغز از جمجمه ندارد. این دستاورد بسیار مهم است زیرا تیم کره جنوبی اولین تصویربرداری با وضوح بالا از شبکه های عصبی را از طریق جمجمه دست نخورده موش به نمایش گذاشت. این بدان معناست که اکنون می توان مغز موش را در بومی ترین حالت های آن بررسی کرد.