Laser-Scanning-Stereomikroskop, das 3D-Bildgebung in Echtzeit ermöglicht
Vor einigen Tagen hat das Team für hochauflösende Bildgebung des State Key Laboratory of Transient Optics and Photon Technology des Xi'an Institute of Optics and Mechanics der Chinese Academy of Sciences erfolgreich ein Zwei-Photonen-Anregungs-Laser-Scanning-Echtzeit-Stereomikroskop entwickelt .
Wie funktioniert ihr Gehirn, wenn eine Labormaus das Bild einer Katze sieht? Wie werden diese neuen Informationen in einem neuronalen Netzwerk mit Dutzenden Millionen Neuronen übertragen? Wie kann man mit einem optischen Mikroskop einen Blick in das Geheimnis werfen? Dies stellt die moderne Life-Science-Forschung vor neue Herausforderungen für die Bildgebungstechnologie der optischen Mikroskopie.
Vor einigen Tagen hat das Team für hochauflösende Bildgebung des State Key Laboratory of Transient Optics and Photon Technology des Xi'an Institute of Optics and Mechanics der Chinese Academy of Sciences erfolgreich ein Zwei-Photonen-Anregungs-Laser-Scanning-Echtzeit-Stereomikroskop entwickelt . „Es ermöglicht uns, die dynamische dreidimensionale mikroskopische Welt in Echtzeit zu beobachten, als würden wir einen dreidimensionalen Film ansehen, ohne Lichtschnitte und zeitaufwändige dreidimensionale Bildrekonstruktion.“ sagte Dr. Yang Yanlong, ein Kernmitglied des Teams. Es stellte sich heraus, dass die konventionelle Lichtmikroskopie unter zwei Problemen litt. Ein Problem besteht darin, dass die Bildtiefe sehr gering ist und jeweils nur eine dünne Schicht der Probe sichtbar ist und die dreidimensionale Verteilung der Probe nicht direkt sichtbar ist. Ein weiteres schwierigeres Problem ist: Um die menschliche Wahrnehmung der dreidimensionalen Welt durch binokulares Sehen nachzuahmen, muss der Bessel-Strahl in zwei Richtungen abgetastet werden. Wenn die Zeitverzögerung der Bildgebung in diesen beiden Richtungen zu groß ist, ist sie flüchtig. Das Fluoreszenzsignal kann nicht genau erfasst und positioniert werden. Beispielsweise wird die Laser-Scanning-Fluoreszenzmikroskopie mit Zwei-Photonen-Anregung seit ihrer Einführung in den 1990er Jahren häufig in der Neurobildgebung und anderen Bereichen eingesetzt. Um die 3D-Bildgebung zu vervollständigen, müssen in der Regel Dutzende oder sogar Hunderte Schichten von 2D-Bildern überlagert und rekonstruiert werden. Der gesamte 3D-Bildgebungsprozess dauert mindestens ein paar Minuten und die Geschwindigkeit ist sehr langsam, sodass er der dynamischen 3D-Bildgebung lebender Organismen nicht gerecht werden kann“, erklärte Dr. Yang Yanlong.
Das Team für hochauflösende Bildgebung des Xi'an-Instituts für Optik und Mechanik unter der Leitung der Forscher Baoli Yao und Tong Ye verwendete einen länglichen fokussierten Laserstrahl – den Bessel-Strahl –, um den Scanvorgang abzuschließen. Schneiden, klare Abbildung dicker 3D-Proben auf einmal. Forscher des Xi'an-Instituts für Optik und Mechanik überwanden Schwierigkeiten und entwickelten ein komplexes Laserscangerät, das ein schnelles Scannen von Bessel-Strahlen mit drei Freiheitsgraden ermöglicht und in der Größenordnung von Millisekunden (Tausendstel) zwischen zwei Betrachtungswinkeln wechseln kann eine Sekunde).
Was bedeutet das? Laienhaft ausgedrückt: Wenn eine Biene an uns vorbeifliegt, brauchen wir zwei Augen, um sie gleichzeitig zu sehen, damit das Gehirn ihre Position genau erkennen kann. Wenn sich das linke und das rechte Auge abwechselnd öffnen und schließen, ist es dem Gehirn unmöglich, die Position der Bienen genau zu bestimmen. Die Umschaltung der neuen technischen Mittel auf „Millisekundenebene“ ermöglicht es, die Dual-View-Bildgebung in einem Augenblick abzuschließen, sodass die dreidimensionalen dynamischen Veränderungen der Probe in Echtzeit erfasst werden können.
Mit dieser Technologie wird erstmals ein stereomikroskopisches Bildgebungs- und Anzeigesystem in Echtzeit realisiert, das auf Dual-View-Laserscanning basiert und dessen dreidimensionale Bildgeschwindigkeit ein bis zwei Größenordnungen höher ist als bei der herkömmlichen Punkt-für-Punkt-Scanmethode. Das heißt, der Bildgebungsprozess, der früher Minuten bis mehrere zehn Minuten dauerte, kann jetzt in wenigen Sekunden abgeschlossen werden. Dieses Zwei-Photonen-Stereomikroskop-Bildgebungssystem bietet ein neues Beobachtungswerkzeug für die dreidimensionale Echtzeit-Bildgebung und -Darstellung lebender Organismen, mit dem die Weiterleitung transienter neuronaler Signale durch neuronale Netze beobachtet werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass diese Forschung vom „Hundred Talents Program“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der National Natural Science Foundation of China unterstützt wurde. Von der Verifizierung der Grundprinzipien über Durchbrüche in Schlüsseltechnologien bis hin zur Fertigstellung grundlegender Prototypen wurden verschiedene Verbindungen von der Grundlagenforschung bis zur Anwendungsintegration durchlaufen.
Derzeit führt die Forschungsgruppe kooperative Forschung zu biomedizinischen Anwendungen mit relevanten wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen im In- und Ausland durch und hofft, diese Technologie so bald wie möglich auf dem Gebiet der dreidimensionalen schnellen Bildgebung und Darstellung lebender Organismen anwenden zu können.
