برای دههها، دانشمندان محدودیتهای میکروسکوپی را برای ثبت نماهای واضحتر و عمیقتر از مغز کنار زدهاند. سیستمهای سنتی مبتنی بر نور میتوانند قشر مغز را با جزئیات نقشهبرداری کنند، اما برای رسیدن به مناطق عمیقتر مانند هیپوکامپ بدون از دست دادن وضوح، با مشکل مواجه هستند.
این چالش هنگام تصویربرداری از فعالیت مولکولی درون سلولهای منفرد، که گامی اساسی در درک عملکرد و بیماریهای مغز است، حتی بیشتر هم میشود. دانشمندان و مهندسان MIT اکنون میکروسکوپی ساختهاند که با ترکیب پالسهای نوری فوق سریع با تشخیص صدا، بر این مانع غلبه میکند.
این سیستم میتواند بدون استفاده از رنگها، مواد شیمیایی یا اصلاح ژنتیکی، در اعماقی بیش از پنج برابر بیشتر از روشهای موجود تصویربرداری کند. محققان معتقدند که این سیستم میتواند تحقیقات علوم اعصاب و کاربردهای جراحی را متحول کند.
دیدن عمیقتر مغز با این میکروسکوپ
این مطالعه نشان میدهد که این سیستم میتواند NAD(P)H، مولکولی مرتبط با متابولیسم سلولی و فعالیت عصبی را از طریق نمونههای متراکم مغز تشخیص دهد. آزمایشها شامل یک ارگانوئید مغزی مشتق از سلولهای بنیادی انسان با ضخامت ۱.۱ میلیمتر و یک برش ۰.۷ میلیمتری از بافت مغز موش بود.
دبلیو. دیوید لی، محقق فوق دکترا که این سیستم را طراحی کرده است، گفت: «این زمانی است که ما از طرف دیگر به شیشه برخورد میکنیم.» او توضیح داد که نمونهها به اندازه کافی بزرگ نبودند تا محدودیتهای واقعی این فناوری را تحت فشار قرار دهند.
این دستگاه از روش تحریک سه فوتونی استفاده میکند و انفجارهای نوری فوق کوتاه را با سه برابر طول موج جذب معمول مولکول شلیک میکند. این طول موجهای بلندتر کمتر پراکنده میشوند و به عمق بیشتری در بافت نفوذ میکنند.
بیشتر انرژی جذب شده، انبساط حرارتی سریع و میکروسکوپی را در داخل سلول ایجاد میکند و امواج صوتی تولید میکند.
یک میکروفون سونوگرافی حساس این امواج را تشخیص میدهد و نرمافزار آنها را به تصاویر واضح تبدیل میکند. این فرآیند تصویربرداری فوتوآکوستیک سه فوتونی نامیده میشود.
ادغام تکنیکهای تصویربرداری پیشرفته
این تیم تحریک سه فوتونی، تشخیص فوتوآکوستیک و تصویربرداری بدون برچسب را در پلتفرمی که آن را «ورودی چند فوتونی و خروجی آکوستیک» مینامند، ترکیب کردند. این چیدمان امکان تشخیص دقیق مولکولی را بدون تغییر بافت فراهم میکند.
این میکروسکوپ همچنین میتواند مولکولهای دیگری مانند GCaMP، یک شاخص کلسیم که برای ردیابی فعالیت عصبی استفاده میشود، را شناسایی کند. علاوه بر این، تصویربرداری «نسل سوم هارمونیک» ساختارهای سلولی را نقشهبرداری میکند و جزئیات ساختاری و مولکولی را در همان اسکن ارائه میدهد.
تاتسویا اوساکی، نویسندهی همکار از موسسهی پیکاور، گفت که هدف، ترکیب تکنیکهای پیشرفته در یک فرآیند کارآمد بوده است. این قابلیت میتواند به مطالعهی شرایطی که سطح NAD(P)H تغییر میکند، از جمله بیماری آلزایمر، سندرم رت و تشنج، کمک کند.
از آنجایی که بدون برچسب کار میکند، میتواند با نقشهبرداری از فعالیت در زمان واقعی، جراحیهای مغز را نیز هدایت کند. هدف بعدی، آزمایش این سیستم در حیوانات زنده است. در این حالت، هم منبع نور و هم میکروفون باید در یک طرف بافت باشند، نه در طرفهای مخالف.
لی انتظار دارد که این سیستم بتواند تا عمق ۲ میلیمتری در مغزهای زنده تصویربرداری کند. او گفت: “در اصل باید کار کند.” فراتر از علوم اعصاب، این تکنیک ممکن است به سایر اندامهایی که متابولیسم در آنها نقش حیاتی دارد، مانند قلب، کبد و کلیهها نیز گسترش یابد. با ارائه روشی برای نظارت بر سلامت سلولی بدون رنگ یا برچسب، این سیستم میتواند به یک ابزار تشخیصی ارزشمند در پزشکی تبدیل شود.
کار قبلی لی از طریق Precision Healing Inc. نشان داد که تصویربرداری NAD(P)H میتواند درمان زخم را هدایت کند. اکنون، همین رویکرد ممکن است برای جراحی مغز و اعصاب و تحقیقات مغز ارزشمند باشد. این پروژه توسط مؤسسات ملی بهداشت، مرکز سایمون برای مغز اجتماعی، مؤسسه پیکاور و سایر منابع تأمین مالی شده است.