Ученые MIT превратили хаотичный лазер в мощный инструмент для визуализации мозга

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили неожиданный эффект в оптической физике, который может привести к созданию более быстрого и детального метода визуализации живых тканей. При определенных условиях хаотичный лазерный сигнал самоорганизуется в узкий, сфокусированный «карандашный луч».

С помощью этого луча команда получила 3D-изображения гематоэнцефалического барьера человека примерно в 25 раз быстрее, чем при использовании текущего «золотого стандарта», сохранив при этом схожее качество. Метод также позволяет в реальном времени наблюдать, как отдельные клетки поглощают лекарства. Это может помочь ученым оценить, достигают ли препараты для лечения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера или БАС, своих целей в мозге.

«Распространенное мнение в этой области заключается в том, что если увеличить мощность такого лазера, свет неизбежно станет хаотичным. Но мы доказали, что это не так. Мы следовали за доказательствами, приняли неопределенность и нашли способ позволить свету самоорганизоваться в новое решение для биоимиджинга», — говорит Сисянь Ю, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук MIT и старший автор исследования, опубликованного в журнале Nature Methods.

Открытие началось с наблюдения, которое не соответствовало ожиданиям. Исследователи постепенно увеличивали мощность лазера, чтобы проверить пределы оптоволокна. Обычно это приводит к рассеиванию света, но при приближении к порогу повреждения волокна свет внезапно сконцентрировался в единый чрезвычайно острый луч. «Беспорядок присущ этим волокнам. Обычно требуется сложная инженерия, чтобы его преодолеть, особенно на высокой мощности. Но с этой самоорганизацией вы получаете стабильный, сверхбыстрый карандашный луч без необходимости в специальных компонентах», — пояснила Ю.

Для воспроизведения эффекта команда определила два ключевых условия: лазер должен входить в волокно под строго нулевым углом, а мощность должна быть увеличена до уровня, при котором свет начинает напрямую взаимодействовать со стеклом. «При этой критической мощности нелинейность может противодействовать внутреннему беспорядку, создавая баланс, который преобразует входной луч в самоорганизованный карандашный луч», — объясняет ведущий автор Хунхао Цао.

Тесты показали, что такой луч стабилен и обладает высокой детализацией. В отличие от обычных лучей, он не создает размытых ореолов («боковых лепестков»), снижающих четкость изображения. Применив метод для визуализации гематоэнцефалического барьера, ученые смогли быстро получать 3D-изображения клеточного уровня и отслеживать поглощение белков клетками в реальном времени. «Фармацевтическая промышленность особенно заинтересована в использовании человеческих моделей для скрининга лекарств, эффективно преодолевающих барьер, поскольку животные модели часто не предсказывают реакцию человека. То, что новый метод не требует флуоресцентной метки клеток, меняет правила игры. Впервые мы можем визуализировать проникновение лекарств в мозг в зависимости от времени и даже определить скорость, с которой определенные типы клеток поглощают препарат», — отметил Роджер Кэмм, профессор MIT.

Система преодолевает компромисс между разрешением и глубиной фокуса, создавая карандашный луч с высоким разрешением и большой глубиной резкости. В будущем исследователи планируют лучше понять физику этого явления и распространить метод на другие области, включая визуализацию нейронов.