MIT tyrėjai nustatė netikėtą optinės fizikos efektą, galintį padėti greičiau ir detaliau atvaizduoti gyvus audinius. Tam tikromis sąlygomis tai, kas paprastai atrodo kaip išsklaidytas ir netvarkingas lazerio signalas, gali persitvarkyti į siaurą, labai sufokusuotą „pieštuko spindulį“.
Naudodama šį savaime susiformavusį spindulį, komanda sukūrė 3D žmogaus kraujo ir smegenų barjero vaizdus maždaug 25 kartus didesniu greičiu nei dabartinis aukso standarto metodas, išlaikant panašią vaizdo kokybę. Šis metodas taip pat leidžia stebėti, kaip atskiros ląstelės absorbuoja vaistus realiu laiku. Tai galėtų padėti mokslininkams įvertinti, ar gydymas tokiomis ligomis kaip Alzheimerio liga ar ALS iš tikrųjų pasiekia numatytus tikslus smegenyse.
„Siekiame įsitikinime, kad jei padidinsite šio tipo lazerio galią, šviesa neišvengiamai taps chaotiška. Tačiau mes įrodėme, kad taip nėra. Vadovavomės įrodymais, atsižvelgėme į netikrumą ir radome būdą, kaip leisti šviesai susitvarkyti į naują biovaizdavimo sprendimą”, – sako Sixian You, MIT Elektros inžinierių laboratorijos EE katedros docentas. Elektronika ir vyresnysis straipsnio apie šią vaizdo gavimo techniką autorius.
Straipsnyje prie jos prisijungė pagrindinis autorius Honghao Cao, EECS absolventas; EECS absolventai Li-Yu Yu ir Kunzan Liu; postdocs Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton ir Federico Presutti; Zhengyu Zhang PhD '24; Subhash Kulkarni, Harvardo universiteto ir Beth Israel Deaconess medicinos centro docentas; ir Roger Kamm, Cecil ir Ida Green išskirtiniai biologijos ir mechanikos inžinerijos profesoriai MIT. Straipsnis šiandien pasirodo Nature Methods.
Atsiranda stebinantis lazerio elgesys
Išvada prasidėjo nuo stebėjimo, kuris neatitiko lūkesčių.
Tyrėjai anksčiau buvo sukūrę tikslų skaidulų formuotoją – įrenginį, leidžiantį kruopščiai valdyti lazerio šviesą, sklindančią per daugiamodį optinį skaidulą, galintį perduoti didelę galią.
Cao palaipsniui didino lazerio galią, kad išbandytų pluošto ribas.
Paprastai, didėjant galiai, šviesa labiau išsisklaido dėl pluošto viduje esančių netobulumų. Vietoj to, kai galia artėjo prie slenksčio, kur gali būti pažeistas pluoštas, šviesa staiga susikoncentravo į vieną labai aštrų spindulį.
„Sutrikimai yra būdingi šiems pluoštams. Šviesos inžinerija, kurią paprastai reikia atlikti, kad įveiktumėte šį sutrikimą, ypač esant didelei galiai, yra ilgai trunkantis vargas. Tačiau taikant šį savaiminį organizavimą galite gauti stabilų, ypač greitą pieštuko spindulį, nereikalaujant pasirinktinių spindulį formuojančių komponentų”, – sako You.
Sąlygos, leidžiančios savarankiškai organizuoti šviesą
Siekdama atkurti šį efektą, komanda nustatė du pagrindinius reikalavimus.
Pirma, lazeris turi patekti į pluoštą idealiai išlygintu nulinio laipsnio kampu, o tai yra griežtesnė nei įprasta praktika. Antra, galia turi būti didinama tol, kol šviesa pradės tiesiogiai sąveikauti su pluošto stiklo medžiaga.
„Esant tokiai kritinei galiai, netiesiškumas gali atremti vidinį sutrikimą ir sukurti pusiausvyrą, kuri paverčia įvesties spindulį į savaime organizuotą pieštuko spindulį“, – aiškina Cao.
Tokios sąlygos retai tiriamos, nes mokslininkai paprastai vengia didelės galios, kad nepažeistų pluošto. Tikslus išlygiavimas taip pat paprastai nėra būtinas, nes daugiamodės skaidulos jau gali nešti daug energijos.
Tačiau kartu šie veiksniai leidžia sistemai sukurti stabilų spindulį be sudėtingos optinės inžinerijos.
„Štai ir yra šio metodo žavesys – tai galite padaryti naudodami įprastą optinę sąranką ir neturėdami daug srities žinių“, – sako You.
Ryškesnis vaizdas su mažiau artefaktų
Bandymai parodė, kad šis pieštuko pluoštas yra stabilus ir labai detalus, palyginti su panašiomis sijomis. Daugelis įprastų spindulių sukuria „šoninius stulpelius“ – neryškius aureolėlius, kurie sumažina vaizdo aiškumą.
Priešingai, šis spindulys išlieka švarus ir tvirtai sufokusuotas.
Tada mokslininkai taikė šią techniką, kad pavaizduotų žmogaus kraujo ir smegenų barjerą – tankų ląstelių sluoksnį, kuris apsaugo smegenis nuo kenksmingų medžiagų, bet taip pat blokuoja daugelį vaistų.
Greitesnis 3D kraujo ir smegenų barjero vaizdas
Mokslininkams dažnai reikia stebėti, kaip vaistai juda šio barjero kraujagyslėmis ir ar jie sėkmingai pasiekia smegenų audinį. Tradiciniai optiniai metodai paprastai fiksuoja vieną 2D pjūvį vienu metu, todėl norint sukurti visą 3D vaizdą, reikia pakartotinai nuskaityti.
Naudodama naują pieštuko pluošto metodą, komanda sukūrė greitus, didelio tikslumo vaizdus, taip pat stebėdama, kaip ląstelės sugeria baltymus realiuoju laiku.
„Farmacijos pramonė yra ypač suinteresuota naudoti žmonių modelius, kad patikrintų vaistus, kurie veiksmingai peržengia barjerą, nes gyvūnų modeliai dažnai nesugeba nuspėti, kas atsitinka žmonėms. Tai, kad šis naujas metodas nereikalauja, kad ląstelės turėtų fluorescencinę žymą, keičia žaidimą. Pirmą kartą dabar galime vizualizuoti nuo laiko priklausomą vaistų patekimą į smegenis ir netgi nustatyti greitį, kuriuo tam tikri ląstelių tipai įsisavina vaistą”, – sako Kam.
„Tačiau svarbu, kad šis metodas neapsiriboja kraujo ir smegenų barjeru, bet leidžia laiku nustatyti įvairius junginius ir molekulinius taikinius per inžinerinius audinių modelius, o tai yra galingas biologinės inžinerijos įrankis”, – priduria Spitzas.
Sistema gamino korinio lygio 3D vaizdus su geresne kokybe ir padarė tai maždaug 25 kartus greičiau nei esami metodai.
„Paprastai turite kompromisą tarp vaizdo skiriamosios gebos ir fokusavimo gylio – vienu metu galite tirti tik tiek toli. Tačiau taikydami savo metodą galime įveikti šį kompromisą sukurdami pieštuko spindulį su didele skiriamąja geba ir dideliu fokusavimo gyliu”, – sako You.
Būsimos programos ir tolesni žingsniai
Žvelgdami į ateitį, mokslininkai siekia geriau suprasti šio savaime besitvarkančio spindulio fiziką ir mechanizmus, leidžiančius jam susidaryti. Jie taip pat planuoja išplėsti metodą, kad jis būtų įtrauktas į kitas programas, įskaitant vaizdo neuronus, ir ištirti būdus, kaip praktiškai pritaikyti technologiją.
Šį darbą iš dalies finansavo MIT startuolių fondai, Nacionalinis mokslo fondas (NSF), Silicio slėnio bendruomenės fondas, Diacomp fondas, Harvardo virškinimo ligų branduolys, MathWorks stipendija ir Claude'o E. Shannono apdovanojimas.
Nuoroda į informacijos šaltinį
