Paradoxul optic descoperit de MIT redefinește imagingul de înaltă rezoluție
Cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology au descoperit un fenomen paradoxal în fizica optică, care ar putea permite o nouă metodă de bioimaging, mai rapidă și cu o rezoluție mai înaltă decât tehnologiile existente.
Ei au constatat că, în condițiile potrivite, un amestec haotic de lumină laser poate să se auto-organizeze spontan într-un „fascicul de creion” foarte concentrat.
Folosind acest fascicul auto-organizat, cercetătorii au capturat imagini 3D ale barierei hematoencefalice umane de 25 de ori mai repede decât metoda standard, menținând o rezoluție comparabilă.
Această tehnologie ar putea ajuta oamenii de știință să testeze dacă noile medicamente pentru boli neurodegenerative, cum ar fi Alzheimer sau ALS, ajung la țintele lor din creier, cu o viteză și o rezoluție mai mari.
„Credința comună în domeniu este că, dacă crești puterea acestui tip de laser, lumina va deveni inevitabil haotică. Dar am dovedit că acest lucru nu este adevărat. Am urmat dovezile, am îmbrățișat incertitudinea și am găsit o modalitate de a permite luminii să se organizeze singură într-o soluție nouă pentru bioimaging,” a afirmat Sixian You.
You este, de asemenea, membru al Laboratorului de Cercetare pentru Electronice.
Pe lucrare, ea este însoțită de autorul principal Honghao Cao, un student absolvent la EECS; studenții absolvenți Li-Yu Yu și Kunzan Liu; postdoctorii Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton și Federico Presutti; Zhengyu Zhang, PhD ’24; Subhash Kulkarni și Roger Kamm. Lucrarea a fost publicată în Nature Methods.
Descoperirea a început cu o observație care inițial i-a lăsat pe cercetători perplexi.
Anterior, echipa a dezvoltat un model de fibră precis, un dispozitiv care le permite să ajusteze cu precizie lumina laser care trece printr-o fibră optică multimodală, capabilă să transporte o cantitate semnificativă de putere.
Cao a dus fibra multimodală aproape de limita sa, pentru a vedea cât de multă putere poate suporta.
În mod obișnuit, cu cât se introduce mai multă putere în laser, cu atât fasciculul de lumină devine mai dezordonat și mai dispersat din cauza imperfecțiunilor fibrei.
Însă, Cao a observat că, pe măsură ce a crescut puterea aproape până la punctul în care fibra ar fi ars, lumina a făcut opusul așteptărilor: s-a concentrat într-un fascicul ascuțit, de tip ac.
„Dezordinea este intrinsecă acestor fibre. Ingineria luminii pe care trebuie să o faci pentru a depăși acea dezordine, în special la puteri mari, a fost întotdeauna o problemă. Dar cu această auto-organizare, poți obține un fascicul stabil și ultrarapid fără necesitatea unor componente personalizate de formare a fasciculului,” a spus You.
Pentru a reproduce acest fenomen, cercetătorii au descoperit că trebuie să îndeplinească două condiții simple, dar precise.
În primul rând, laserul trebuie să intre în fibră la un unghi perfect de zero grade, o cerință mai riguroasă decât este de obicei utilizată pentru aceste tipuri de fibre. În al doilea rând, puterea trebuie să fie crescută până când lumina începe să interacționeze cu sticla fibrei în sine.
„La această putere critică, nonlinaritatea poate contrabalansa dezordinea intrinsecă, creând un echilibru care transformă fasciculul de intrare într-un fascicul auto-organizat,” explică Cao.
În mod normal, cercetătorii efectuează aceste experimente la niveluri de putere mult mai mici, din teama de a distruge fibra, caz în care nu ar putea observa această auto-organizare. În plus, o astfel de aliniere precisă pe axă nu este de obicei necesară, deoarece o fibră multimodală poate transporta atât de multă putere.
Dar, combinate, aceste două tehnici pot genera un fascicul stabil fără metode complicate de inginerie a luminii.
„Aceasta este farmecul acestei metode – poți face asta cu un set-up optic normal și fără multă expertiză în domeniu,” afirmă You.
Atunci când cercetătorii au efectuat experimente de caracterizare a acestui fascicul, acesta s-a dovedit a fi mai stabil și de înaltă rezoluție decât multe fascicule similare. Alte fascicule suferă adesea de „loburi laterale” – halouri neclare de lumină care pot distorsiona imaginile.
Fasciculul lor a fost mai pur și mai bine concentrat.
Pe baza acestor experimente, cercetătorii au demonstrat utilizarea acestui fascicul de creion în imagingul biomedical al barierei hematoencefalice umane.
Această barieră este un strat compact de celule care protejează creierul de toxine, dar blochează și multe medicamente. Oamenii de știință și clinicienii doresc adesea să observe cum medicamentele circulă în interiorul vaselor de sânge ale barierei hematoencefalice și dacă ajung la țintele lor din creier.
Cu setările optice standard, cel mai bine ce se poate face este să se capteze o secțiune 2D a vaselor de sânge la un moment dat, pentru a repeta apoi procesul de mai multe ori pentru a genera o imagine completă, explică You.
Folosind această nouă tehnică, cercetătorii au creat un fascicul de creion ultrarapid și de înaltă precizie care le-a permis să urmărească dinamic modul în care celulele absorb proteine în timp real.
„Industria farmaceutică este deosebit de interesată de utilizarea modelelor umane pentru a testa medicamente care traversează eficient bariera, deoarece modelele animale adesea nu prezic ceea ce se întâmplă în oameni. Faptul că această nouă metodă nu necesită ca celulele să aibă un marcaj fluorescent este o schimbare majoră. Pentru prima dată, putem vizualiza intrarea dependentă de timp a medicamentelor în creier și chiar identifica rata cu care anumite tipuri de celule internalizează medicamentul,” afirmă Kamm.
„Este important de menționat că această abordare nu este limitată la bariera hematoencefalică, ci permite urmărirea în timp a compușilor și țintelor moleculare diverse în modele de țesut inginerizat, oferind un instrument puternic pentru ingineria biologică,” adaugă Spitz.
Echipa a capturat imagini 3D la nivel celular, de o calitate superioară față de alte metode, generând aceste imagini de aproximativ 25 de ori mai repede.
„De obicei, ai un compromis între rezoluția imaginii și adâncimea de focalizare – poți să explorezi doar până la un anumit punct. Dar cu metoda noastră, putem depăși acest compromis prin crearea unui fascicul de creion cu atât rezoluție înaltă, cât și o mare adâncime de focalizare,” spune You.
În viitor, cercetătorii își propun să înțeleagă mai bine fizica fundamentală a fasciculului de creion și mecanismele din spatele auto-organizării acestuia. De asemenea, plănuiesc să aplice tehnica în alte scenarii, cum ar fi imagingul neuronilor din creier, și să lucreze pentru comercializarea tehnologiei.
