1,1 мм в живой мозг — MIT побил все рекорды проникновения без скальпеля
NewsMakerАльцгеймер и эпилепсия больше не спрячутся.
Десятилетиями нейробиологи упирались в один и тот же потолок: оптика подробно рисует кору, но теряет чёткость, как только лучи уходят к гиппокампу и соседним областям. Ещё сложнее становится, когда задача — увидеть молекулярные процессы в пределах одной клетки, не искажая сигнал красителями или генетическими метками. Инженеры и учёные MIT собрали установку, которая фактически снимает этот запрет . Она совмещает сверхкороткие световые импульсы и акустическое считывание и благодаря этому заглядывает в толщу ткани на глубину, недоступную привычным методам, причём без добавок и модификаций.
Сердце подхода — трёхфотонное возбуждение. Лазер выдаёт ультракороткие всплески на длинах волн втрое больше, чем обычная полоса поглощения целевой молекулы. Такой выбор даёт сразу два бонуса. Во-первых, длинные волны меньше рассеиваются в неоднородной среде, что повышает проникающую способность. Во-вторых, пик мощности у фемтосекундного импульса огромен, поэтому вероятность одновременного поглощения трёх фотонов заметно растёт именно в малом фокусе. В результате возбуждение локализуется в точке наведения, а окружающие структуры остаются «тихими».
Дальше вступает в работу физика термоупругости. Энергия, усвоенная молекулами, в первую очередь превращается в крошечный, но очень быстрый нагрев микрообъёма. Материал расширяется на микроскопическую долю, создавая скачок давления. Этот удар рождает звуковую волну, которая уходит от источника, как круги по воде, только уже в ультразвуковом диапазоне. Чувствительный приёмник на поверхности образца ловит сигнал, а вычислительный модуль собирает из временных задержек и амплитуд картинку с высокой контрастностью. Такая схема носит название трёхфотонной фотоакустической визуализации и даёт возможность опираться не на излучение во флёресцентном канале, а на механику среды — это куда лучше переносит рассеяние.
Команда назвала платформу «Multiphoton-In, Acoustic-Out», подчеркивая, что «вход» — многоквантовая оптика, а «выход» — звук. В одном проходе система способна различать метаболические маркеры без красителей, в частности NAD(P)H — кофермент, связанный с дыхательными цепями и активностью нейронов. Тот же тракт фиксирует и другие мишени, если они присутствуют, например GCaMP — кальциевый индикатор, которым обычно отмечают динамику импульсной работы. Параллельно включается третий нелинейный канал: генерация третьей гармоники подсвечивает границы, мембраны, интерфейсы сред — получается сцена, где структурная «география» и биохимические «огни» совмещены пиксель к пикселю.
Полевые тесты показали, что установка уверенно проходит через плотные образцы. Учёные просветили органоид человеческого мозга на основе стволовых клеток толщиной 1,1 миллиметра и срез мышиного полушария шириной 0,7 миллиметра. В обоих случаях картинка оставалась чистой, а чувствительность — достаточной, чтобы уловить NAD(P)H в толще. Эксперимент ограничивался не столько инструментом, сколько геометрией: исследователи упёрлись в стекло на обратной стороне — образцы просто закончились. По глубине установка превзошла распространённые оптические техники более чем в пять раз, оставаясь полностью безметочной.
Клинический контур тут вырисовывается сам собой. Поскольку сигнал строится на внутренних процессах клетки, а не на введённых реагентах, карта активности может обновляться в реальном времени и вести хирурга по функциональным рубежам без долгих подготовительных процедур. Для фундаментальных задач важен и метаболический ракурс: уровни NAD(P)H меняются при болезни Альцгеймера, синдроме Ретта, эпилептических приступах, а значит, можно проследить, как патология перестраивает энергетику нейронных ансамблей на разных слоях и расстояниях от поверхности.
Переход к исследованиям «на живом» потребует иной геометрии. Сейчас источники света и микрофон ставили по разные стороны. В животной модели оба узла придётся перенести на одну поверхность, чтобы свернуть доступ до минимума и не нарушить физиологию. Авторы считают, что с такой конфигурацией реально дойти до двух миллиметров в мозге, сохранив контраст и скорость. Принцип работы для этого уже подходит: длинноволновая оптика устойчиво идёт вглубь, а акустика уверенно выбирается наружу по тем же путям.
Интересно, что один из участников уже обкатывал метаболическое картирование в другой сфере. В проектах по лечению ран визуализация NAD(P)H помогала выбирать тактику вмешательства по состоянию тканей. Теперь та же идея переезжает в нейрохирургию и лабораторную нейрофизиологию, где ставка делается на точное совмещение биохимии и морфологии без меток и красителей. Однако при внедрении таких высокотехнологичных медицинских систем визуализации критически важно учитывать вопросы кибербезопасности, поскольку современные исследования показывают серьёзные проблемы с защитой медицинского оборудования от кибератак.
Работы поддержали National Institutes of Health, Simon Center for the Social Brain, The Picower Institute и другие фонды, что должно ускорить доводку до прикладных сценариев. Учитывая, что более половины медицинского оборудования дают киберпреступникам полный контроль над системами, разработчикам новой технологии важно изначально закладывать защиту от кибератак на этапе проектирования.
Десятилетиями нейробиологи упирались в один и тот же потолок: оптика подробно рисует кору, но теряет чёткость, как только лучи уходят к гиппокампу и соседним областям. Ещё сложнее становится, когда задача — увидеть молекулярные процессы в пределах одной клетки, не искажая сигнал красителями или генетическими метками. Инженеры и учёные MIT собрали установку, которая фактически снимает этот запрет . Она совмещает сверхкороткие световые импульсы и акустическое считывание и благодаря этому заглядывает в толщу ткани на глубину, недоступную привычным методам, причём без добавок и модификаций.
Сердце подхода — трёхфотонное возбуждение. Лазер выдаёт ультракороткие всплески на длинах волн втрое больше, чем обычная полоса поглощения целевой молекулы. Такой выбор даёт сразу два бонуса. Во-первых, длинные волны меньше рассеиваются в неоднородной среде, что повышает проникающую способность. Во-вторых, пик мощности у фемтосекундного импульса огромен, поэтому вероятность одновременного поглощения трёх фотонов заметно растёт именно в малом фокусе. В результате возбуждение локализуется в точке наведения, а окружающие структуры остаются «тихими».
Дальше вступает в работу физика термоупругости. Энергия, усвоенная молекулами, в первую очередь превращается в крошечный, но очень быстрый нагрев микрообъёма. Материал расширяется на микроскопическую долю, создавая скачок давления. Этот удар рождает звуковую волну, которая уходит от источника, как круги по воде, только уже в ультразвуковом диапазоне. Чувствительный приёмник на поверхности образца ловит сигнал, а вычислительный модуль собирает из временных задержек и амплитуд картинку с высокой контрастностью. Такая схема носит название трёхфотонной фотоакустической визуализации и даёт возможность опираться не на излучение во флёресцентном канале, а на механику среды — это куда лучше переносит рассеяние.
Команда назвала платформу «Multiphoton-In, Acoustic-Out», подчеркивая, что «вход» — многоквантовая оптика, а «выход» — звук. В одном проходе система способна различать метаболические маркеры без красителей, в частности NAD(P)H — кофермент, связанный с дыхательными цепями и активностью нейронов. Тот же тракт фиксирует и другие мишени, если они присутствуют, например GCaMP — кальциевый индикатор, которым обычно отмечают динамику импульсной работы. Параллельно включается третий нелинейный канал: генерация третьей гармоники подсвечивает границы, мембраны, интерфейсы сред — получается сцена, где структурная «география» и биохимические «огни» совмещены пиксель к пикселю.
Полевые тесты показали, что установка уверенно проходит через плотные образцы. Учёные просветили органоид человеческого мозга на основе стволовых клеток толщиной 1,1 миллиметра и срез мышиного полушария шириной 0,7 миллиметра. В обоих случаях картинка оставалась чистой, а чувствительность — достаточной, чтобы уловить NAD(P)H в толще. Эксперимент ограничивался не столько инструментом, сколько геометрией: исследователи упёрлись в стекло на обратной стороне — образцы просто закончились. По глубине установка превзошла распространённые оптические техники более чем в пять раз, оставаясь полностью безметочной.
Клинический контур тут вырисовывается сам собой. Поскольку сигнал строится на внутренних процессах клетки, а не на введённых реагентах, карта активности может обновляться в реальном времени и вести хирурга по функциональным рубежам без долгих подготовительных процедур. Для фундаментальных задач важен и метаболический ракурс: уровни NAD(P)H меняются при болезни Альцгеймера, синдроме Ретта, эпилептических приступах, а значит, можно проследить, как патология перестраивает энергетику нейронных ансамблей на разных слоях и расстояниях от поверхности.
Переход к исследованиям «на живом» потребует иной геометрии. Сейчас источники света и микрофон ставили по разные стороны. В животной модели оба узла придётся перенести на одну поверхность, чтобы свернуть доступ до минимума и не нарушить физиологию. Авторы считают, что с такой конфигурацией реально дойти до двух миллиметров в мозге, сохранив контраст и скорость. Принцип работы для этого уже подходит: длинноволновая оптика устойчиво идёт вглубь, а акустика уверенно выбирается наружу по тем же путям.
Интересно, что один из участников уже обкатывал метаболическое картирование в другой сфере. В проектах по лечению ран визуализация NAD(P)H помогала выбирать тактику вмешательства по состоянию тканей. Теперь та же идея переезжает в нейрохирургию и лабораторную нейрофизиологию, где ставка делается на точное совмещение биохимии и морфологии без меток и красителей. Однако при внедрении таких высокотехнологичных медицинских систем визуализации критически важно учитывать вопросы кибербезопасности, поскольку современные исследования показывают серьёзные проблемы с защитой медицинского оборудования от кибератак.
Работы поддержали National Institutes of Health, Simon Center for the Social Brain, The Picower Institute и другие фонды, что должно ускорить доводку до прикладных сценариев. Учитывая, что более половины медицинского оборудования дают киберпреступникам полный контроль над системами, разработчикам новой технологии важно изначально закладывать защиту от кибератак на этапе проектирования.