Primul microscop bazat pe sunet vede de 5 ori mai adânc în creier fără a altera celulele

Timp de decenii, oamenii de știință au forțat limitele microscopiei pentru a obține imagini tot mai clare și mai profunde ale creierului. Sistemele clasice bazate pe lumină pot cartografia în detaliu cortexul cerebral, dar întâmpină dificultăți în a pătrunde în regiunile mai adânci, cum ar fi hipocampul, fără a pierde din rezoluție. De aceea a fost creat primul microscop bazat pe sunet.

Lucrurile devin și mai complicate atunci când vine vorba de observarea activității moleculare din interiorul celulelor, un pas esențial pentru înțelegerea funcționării creierului și a bolilor neurologice.

O echipă de cercetători și ingineri de la MIT (SUA) a reușit acum să depășească acest obstacol, construind un microscop inovator care combină impulsuri luminoase ultrarapide cu detecția acustică. Acest microscop bazat pe sunet poate pătrunde la adâncimi de peste cinci ori mai mari decât metodele actuale, fără a folosi coloranți, substanțe chimice sau modificări genetice. Cercetătorii cred că această tehnologie ar putea revoluționa cercetarea în neuroștiințe și aplicațiile chirurgicale.

Oamenii de știință au creat primul microscop bazat pe sunet

Studiul demonstrează că sistemul poate detecta NAD(P)H, o moleculă asociată cu metabolismul celular și cu activitatea neuronală, prin mostre dense de țesut cerebral. Testele au fost realizate pe un organoid cerebral derivat din celule stem umane de 1,1 mm grosime și pe o secțiune de 0,7 mm de creier de șoarece.

„Atunci am început să vedem lucrurile dintr-o altă perspectivă”, a spus W. David Lee, cercetătorul postdoctoral care a proiectat sistemul, explicând că mostrele nu erau suficient de groase pentru a atinge adevăratele limite ale tehnologiei. Dispozitivul folosește o metodă numită excitație cu trei fotoni, în care impulsurile de lumină ultra-scurte sunt emise la o lungime de undă de trei ori mai mare decât cea obișnuită de absorbție a moleculei. Aceste lungimi de undă mai lungi se dispersează mai puțin și pătrund mai adânc în țesut, explică Interesting Engineering.

Cea mai mare parte a energiei absorbite provoacă o expansiune termică microscopică rapidă în interiorul celulei, generând unde sonore.

Un microfon cu ultrasunete de mare sensibilitate detectează aceste unde, iar software-ul le transformă în imagini clare. Acest proces poartă numele de imagistică fotoacustică cu trei fotoni. Cercetătorii au combinat astfel excitația cu trei fotoni, detecția fotoacustică și imagistica fără markeri într-o platformă pe care au numit-o „Multiphoton-In and Acoustic-Out”. Sistemul permite detectarea moleculară precisă fără a modifica țesutul.

La ce va putea fi folosit un astfel de sistem?

Tehnologia poate detecta și alți indicatori, precum GCaMP, un indicator de calciu utilizat în urmărirea activității neuronale. În plus, imagistica prin „third-harmonic generation” oferă informații structurale despre celule, permițând obținerea de detalii moleculare și arhitecturale într-o singură scanare.

Tatsuya Osaki, coautor al studiului, de la Institutul Picower (SUA), a explicat că scopul a fost integrarea unor tehnici avansate într-un proces eficient. Această abordare ar putea contribui la studierea afecțiunilor în care nivelurile de NAD(P)H suferă modificări, cum ar fi boala Alzheimer, sindromul Rett sau crizele epileptice.

Pentru că sistemul funcționează fără substanțe de contrast, ar putea fi folosit și în timpul operațiilor pe creier, oferind o hartă în timp real a activității cerebrale.

Următorul pas este testarea tehnologiei pe animale vii. În acest caz, atât sursa de lumină, cât și microfonul trebuie amplasate pe aceeași parte a țesutului, nu pe părți opuse.

Lee estimează că sistemul ar putea pătrunde până la 2 milimetri în creierul viu. „În principiu, ar trebui să funcționeze”, a spus el.

Anterior, Lee a aplicat metoda imagisticii NAD(P)H pentru ghidarea tratării rănilor, în cadrul companiei Precision Healing Inc. Acum, aceeași tehnologie ar putea avea un impact important în neurochirurgie și cercetarea cerebrală.

Studiul a fost publicat în revista Light: Science and Applications.

Vă recomandăm să citiți și:

Problema de vedere care afectează astronauții după misiunile lungi

Virusul hepatic C ar avea o legătură semnificativă cu schizofrenia și tulburarea bipolară, arată un studiu

Femeile au nevoie de mai mult somn decât bărbații? Iată ce spune știința!

Motivul pentru care 40% dintre oameni nu au ochii perfect rotunzi