การถ่ายภาพแบบสองโฟตอนก็ใช้เวลานานเช่นกัน เนื่องจากโดยปกติแล้วจะต้องสแกนแต่ละพิกเซลทีละภาพ ทีมงานของ MIT และนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้พัฒนารูปแบบการแก้ไขของภาพสองโฟตอนที่สามารถถ่ายภาพได้ลึกขึ้นภายในเนื้อเยื่อและทำการถ่ายภาพได้เร็วกว่าที่เคยเป็นไปได้

นักวิจัยกล่าวว่าการถ่ายภาพประเภทนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ภาพที่มีความละเอียดสูงของโครงสร้างต่างๆ เช่น หลอดเลือดและเซลล์ประสาทภายในสมองได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

Murat Yildirim นักวิทยาศาสตร์ด้านการวิจัยของ MIT และหนึ่งในผู้เขียนงานวิจัยชิ้นใหม่กล่าวว่า "การปรับเปลี่ยนลำแสงเลเซอร์ที่เข้ามาในเนื้อเยื่อทำให้เราสามารถเจาะลึกลงไปได้ และเราสามารถถ่ายภาพได้ละเอียดกว่าเทคนิคก่อนหน้านี้"

MIT นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาเฉิงเจิ้งเหอและอดีต postdoc Jong คังพาร์คเป็นผู้เขียนนำกระดาษซึ่งจะปรากฏในวันนี้ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ Dushan N. Wadduwage อดีต MIT postdoc ซึ่งปัจจุบันเป็น John Harvard Distinguished Science Fellow ในการถ่ายภาพที่ Center for Advanced Imaging ที่ Harvard University เป็นผู้เขียนอาวุโสของหนังสือพิมพ์ ผู้เขียนคนอื่นๆ ได้แก่ Josiah Boivin, MIT postdoc; Yi Xue อดีตนักศึกษาปริญญาโท MIT; Mriganka Sur ศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาของนิวตันที่ MIT; และปีเตอร์ โซ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมชีวภาพของ MIT

ภาพลึก

กล้องจุลทรรศน์แบบสองโฟตอนทำงานโดยฉายแสงความเข้มสูงของแสงอินฟราเรดใกล้ไปยังจุดเดียวภายในตัวอย่าง กระตุ้นให้เกิดการดูดกลืนแสงสองโฟตอนพร้อมกันที่จุดโฟกัส โดยที่ความเข้มจะสูงที่สุด แสงความยาวคลื่นยาวและพลังงานต่ำนี้สามารถเจาะลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อได้โดยไม่ทำลายเนื้อเยื่อ ทำให้สามารถถ่ายภาพใต้พื้นผิวได้

อย่างไรก็ตาม การกระตุ้นด้วยโฟตอนสองโฟตอนสร้างภาพโดยการเรืองแสง และสัญญาณเรืองแสงอยู่ในบริเวณสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เมื่อถ่ายภาพลึกเข้าไปในตัวอย่างเนื้อเยื่อ แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์จะกระจัดกระจายมากขึ้นและภาพจะเบลอ การถ่ายภาพเนื้อเยื่อหลายชั้นก็ใช้เวลานานเช่นกัน การใช้การถ่ายภาพแบบมุมกว้าง ซึ่งทั้งระนาบของเนื้อเยื่อถูกส่องสว่างในครั้งเดียว สามารถเร่งกระบวนการให้เร็วขึ้น แต่ความละเอียดของวิธีการนี้ไม่ได้ดีเท่ากับการสแกนแบบจุดต่อจุด

ทีม MIT ต้องการพัฒนาวิธีการที่จะช่วยให้พวกเขาสร้างภาพตัวอย่างเนื้อเยื่อขนาดใหญ่ได้ในคราวเดียว ในขณะที่ยังคงรักษาความละเอียดสูงของการสแกนแบบจุดต่อจุด เพื่อให้บรรลุผลดังกล่าว พวกเขาจึงคิดค้นวิธีจัดการกับแสงที่ส่องลงบนตัวอย่าง พวกเขาใช้รูปแบบของกล้องจุลทรรศน์แบบมุมกว้าง โดยส่องระนาบแสงบนเนื้อเยื่อ แต่ปรับเปลี่ยนแอมพลิจูดของแสงเพื่อให้สามารถเปิดหรือปิดแต่ละพิกเซลได้ในเวลาที่ต่างกัน พิกเซลบางพิกเซลจะสว่างขึ้นในขณะที่พิกเซลใกล้เคียงยังคงมืดอยู่ และสามารถตรวจจับรูปแบบที่ออกแบบไว้ล่วงหน้านี้ในแสงที่กระจัดกระจายไปตามเนื้อเยื่อ

"เราสามารถเปิดหรือปิดแต่ละพิกเซลได้ด้วยการมอดูเลตแบบนี้" เจิ้งกล่าว "ถ้าเราปิดบางจุด ซึ่งจะสร้างพื้นที่รอบๆ แต่ละพิกเซล ดังนั้นตอนนี้เราจึงสามารถรู้ได้ว่าเกิดอะไรขึ้นในแต่ละจุด"

หลังจากที่นักวิจัยได้ภาพดิบแล้ว พวกเขาสร้างแต่ละพิกเซลขึ้นใหม่โดยใช้อัลกอริธึมของคอมพิวเตอร์ที่พวกเขาสร้างขึ้น

“เราควบคุมรูปร่างของแสงและได้รับการตอบสนองจากเนื้อเยื่อ จากการตอบสนองเหล่านี้ เราพยายามแก้ไขว่าเนื้อเยื่อกระจัดกระจายประเภทใด ในขณะที่เราทำการสร้างใหม่จากภาพดิบของเรา เราจะได้ข้อมูลมากมาย ที่คุณไม่สามารถมองเห็นได้ในภาพดิบ” ยิลดิริมกล่าว

โดยใช้เทคนิคนี้ นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถถ่ายภาพลึกประมาณ 200 ไมครอนเข้าไปในชิ้นของกล้ามเนื้อและเนื้อเยื่อไต และประมาณ 300 ไมครอนในสมองของหนู นั่นคือประมาณสองเท่าที่ลึกที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยปราศจากการกระตุ้นตามรูปแบบและการสร้างใหม่ทางคอมพิวเตอร์ Yildirim กล่าว เทคนิคนี้ยังสามารถสร้างภาพได้เร็วกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบสองโฟตอนทั่วไปประมาณ 100 ถึง 1,000 เท่า

โครงสร้างสมอง

การถ่ายภาพประเภทนี้ควรช่วยให้นักวิจัยได้ภาพเซลล์ประสาทในสมองที่มีความละเอียดสูงอย่างรวดเร็ว รวมทั้งโครงสร้างอื่นๆ เช่น หลอดเลือด การถ่ายภาพหลอดเลือดในสมองของหนูอาจเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการเรียนรู้เพิ่มเติมว่าการไหลเวียนของเลือดได้รับผลกระทบจากโรคทางระบบประสาทเช่นโรคอัลไซเมอร์อย่างไร Yildirim กล่าว

"การศึกษาเกี่ยวกับการไหลเวียนของเลือดหรือสัณฐานวิทยาของโครงสร้างหลอดเลือดทั้งหมดขึ้นอยู่กับระบบการสแกนจุดสองโฟตอนหรือสามโฟตอน ดังนั้นจึงช้า" เขากล่าว "ด้วยการใช้เทคโนโลยีนี้ เราสามารถดำเนินการสร้างภาพการไหลเวียนของเลือดและโครงสร้างของหลอดเลือดด้วยความเร็วสูงได้อย่างแท้จริง เพื่อให้เข้าใจถึงการเปลี่ยนแปลงของการไหลเวียนของเลือด"

เทคนิคนี้สามารถยืมตัวเองเพื่อวัดกิจกรรมของเซลล์ประสาทด้วยการเพิ่มสีย้อมเรืองแสงที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้าหรือหัววัดแคลเซียมเรืองแสงที่สว่างขึ้นเมื่อเซลล์ประสาทถูกกระตุ้น นอกจากนี้ยังอาจเป็นประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์เนื้อเยื่อประเภทอื่นๆ รวมทั้งเนื้องอก ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อช่วยระบุขอบของเนื้องอกได้บาคาร่า สมัครบาคาร่า