روشی میکروسکوپی برای تصویربرداری‌های دقیق‌‌تر و پرسرعت‌تر از لایه‌های عمیق بافت
محققان برای ایجاد تصاویر سه بعدی با وضوح بالا از بافت‌هایی مانند مغز، غالباً از میکروسکوپ دو فوتونی استفاده می‌کنند که شامل هدف قرار دادن نمونه با شدت بالای لیزر برای القای تحریک فلورسانس است. با این حال، تصویربرداری عمیق یا اسکن در اعماق مغز ممکن است دشوار باشد زیرا با نفوذ بیشتر نور به اعماق بافت‌ها، پراکندگی نور افزایش می‌یابد و باعث تار شدن تصاویر می‌شود.
تصویربرداری دو فوتونی نیز زمان‌بر است، زیرا معمولاً به اسکن همزمان تک‌تک پیکسل‌ها نیاز دارد. اکنون تیمی از محققان دانشگاه MIT و دانشگاه هاروارد نمونه‌ای بهبود یافته از تصویربرداری دو فوتونی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند از عمق بافت تصویربرداری کرده و این کار را بسیار سریع‌تر از آنچه در گذشته ممکن بود انجام دهد.
به گفته‌ی محققان، این نوع تصویربرداری به دانشمندان امکان می‌دهد تصاویر با وضوح بالا از ساختارهایی مانند رگ‌های خونی و سلول‌های عصبی منفرد در مغز را با سرعت بیشتری به‌دست آورند.
مورات یلدیریم[1]، دانشمند MIT و یکی از نویسندگان این مقاله جدید می‌گوید: «ما نشان دادیم که با اصلاح پرتوی لیزر تابیده شده به بافت، می‌توانیم با نفوذ به اعماق بیشتر تصویربرداری دقیق‌تری نیز انجام دهیم.»
چنگ ژنگ[2] دانشجوی کارشناسی ارشد MIT و جونگ کانگ پارک[3] فوق دکترای سابق این دانشگاه نویسندگان اصلی این مقاله هستند که در نشریه Science Advances قابل مشاهده است. دوشان وادوج[4]، فوق دکترای MIT و همکار برجسته علوم تصویربرداری جان هاروارد در مرکز تصویربرداری پیشرفته در دانشگاه هاروارد نویسنده ارشد مقاله است. از دیگر نویسندگان می‌توان به جوشیا بوویین[5]، فوق دکترای MIT، یی ژو[6]، دانشجوی سابق تحصیلات تکمیلی MIT، میریگانکا سور[7]، استاد علوم اعصاب نیوتن در MIT، و پیتر سو[8]، استاد MIT در مهندسی مکانیک و مهندسی بیولوژیک اشاره کرد.
تصویربرداری عمیق
میکروسکوپ دو فوتونی با تاباندن پرتوی شدید نور مادون قرمز نزدیک به یک نقطه واحد در نمونه کار می‌کند که باعث جذب همزمان دو فوتون در نقطه کانونی (جایی که شدت آن بیشتر است) می‌شود. این پرتو با طول‌موج بلند و انرژی کم می‌تواند در عمق بیشتری از بافت نفوذ کند و به آن صدمه‌ای نزند، بنابراین امکان تصویربرداری در زیر سطح را فراهم می‌کند.
اگرچه، تحریک دو فوتونی با فلورسانس تصاویر خوبی ایجاد می‌کند و سیگنال فلورسنت در ناحیه طیف مرئی قرار دارد. اما هنگام تصویربرداری از لایه‌های عمیق‌تر بافت نمونه، نور فلورسنت پراکندگی بیشتری دارد و تصویر تار می‌شود، همچنین تصویربرداری با این روش بسیار وقت‌گیر می‌باشد. استفاده از تصویربرداری میدان وسیع، که در آن یک صفحه کامل از بافت به یک‌باره روشن می‌شود، می‌تواند روند کار را تسریع کند، اما وضوح این روش به اندازه اسکن نقطه به نقطه نیست.
تیم دانشگاه MIT قصد داشت روشی را توسعه دهد که به آن‌ها امکان می‌دهد یک نمونه بافت بزرگ را به‌صورت یکپارچه و در عین حال با حفظ وضوح بالا درحد اسکن نقطه به نقطه، تصویربرداری کنند. بدین منظور، آن‌ها راهی برای دستکاری نوری که به نمونه می‌تابد، ارائه دادند. این تیم از نوعی میکروسکوپ میدان وسیع استفاده می‌کنند و صفحه‌ای از پرتوها را به بافت می‌تابانند، اما دامنه نور را بهینه می‌کنند، طوری که بتوانند هر پیکسل را در زمان‌های مختلف روشن یا خاموش کنند. بنابراین بعضی از پیکسل‌ها روشن می‌شوند در حالی که پیکسل های اطراف تاریک می‌مانند و این الگوی از پیش طراحی شده نسبت به نور پراکنده شده از بافت، قابل تشخیص است.
ژنگ می‌گوید: «ما می‌توانیم با این نوع مدولاسیون هر پیکسل را روشن یا خاموش کنیم. اگر بعضی از نقاط را خاموش کنیم، باعث ایجاد فضایی اطراف هر پیکسل می‌شود، بنابراین اکنون می‌توانیم بدانیم که در هر یک از نقاط مختلف چه اتفاقی می‌افتد.»
محققان پس‌از به‌دست آوردن تصاویر خام، هر پیکسل را با استفاده از یک الگوریتم رایانه‌ای، بازسازی می‌کنند.
دیگر محقق این تیم، یلدریم می‌گوید: «ما شکل نور را کنترل می‌کنیم و از بافت پاسخ می‌گیریم. از این پاسخ‌ها، سعی می‌کنیم پراکندگی از بافت را برطرف کنیم. همان‌طور که تصاویر خام را بازسازی می‌کنیم، می‌توانیم اطلاعات زیادی به‌دست آوریم که در تصاویر خام قابل مشاهده نیست.»
محققان نشان دادند با استفاده از این تکنیک می‌توانند حدود 200 میکرون در عمق برش‌های عضله و بافت کلیه و حدود 300 میکرون در مغز موش‌ها را تصویربرداری کنند. این عمق نسبت به حالت بدون به‌کارگیری این الگوی تحریک و بازسازی محاسباتی، تقریباً دو برابر عمیق‌تر است. این روش همچنین می‌تواند تصاویری در حدود 100 تا 1000 برابر سریع‌تر از میکروسکوپ معمولی دو فوتونی ایجاد کند.
ساختار مغز
قرار است این نوع تصویربرداری عمیق به محققان اجازه دهد با سرعت بیشتر، تصاویری با وضوح بالا از سلول‌های عصبی موجود در مغز و همچنین ساختارهای دیگر مانند رگ‌های خونی به‌دست آورند. یلدیریم معتقد است که تصویربرداری از رگ‌های خونی در مغز موش‌ها می‌تواند برای یادگیری بیشتر در مورد چگونگی تأثیر بیماری‌های نورودژنراتیو[9] مانند آلزایمر بر جریان خون مفید باشد.
وی می‌گوید: «تمام مطالعات جریان خون یا مورفولوژی ساختار رگ‌های خونی بر اساس سیستم‌های اسکن نقطه‌ای دو فوتونی یا سه فوتونی است، بنابراین سرعت آن‌ها پایین است. بااستفاده از این فناوری، می‌توانیم تصویربرداری حجمی[10] با سرعت بالا از جریان خون و ساختار رگ‌های خونی انجام دهیم تا تغییرات جریان خون را دریابیم.»
همچنین این روش می‌تواند با افزودن رنگ‌های حساس به ولتاژ فلورسنت یا پروب‌های کلسیم فلورسنت که هنگام تحریک نورون‌ها روشن می‌شوند، برای اندازه‌گیری فعالیت عصبی، مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این می‌تواند برای تجزیه و تحلیل انواع دیگر بافت‌ها، از جمله تومورها (برای کمک به تعیین لبه‌های تومور) مفید باشد.
منبع:
https://phys.org/news/2021-07-microscopy-technique-finer-images-deeper.html
[1] Murat Yildirim
[2] Cheng Zheng
[3] Jong Kang Park
[4] Dushan N. Wadduwage
[5] Josiah Boivin
[6] Yi Xue
[7] Mriganka Sur
[8] Peter So
[9] neurodegenerative
[10] volumetric imaging