Savaime organizuojantis „pieštuko spindulio“ lazeris galėtų padėti mokslininkams kurti į smegenis nukreiptas terapijas

ČMasačusetso technologijos institutas

Tinkamomis sąlygomis chaotiškas lazerio šviesos pluoštas gali savaime organizuotis į labai sufokusuotą „pieštuko spindulį“. Šioje schemoje parodytas pieštuko spindulio formavimo mechanizmas. Šaltinis: MIT

MIT tyrėjai atrado paradoksalų optinės fizikos reiškinį, kuris galėtų sudaryti sąlygas naujam biovaizdavimo metodui, kuris yra greitesnis ir didesnės skiriamosios gebos nei esama technologija. Jie atrado, kad tinkamomis sąlygomis chaotiška lazerio šviesos raizgalynė gali savaime organizuotis į labai sufokusuotą „pieštuko spindulį“.

 

Naudodami šį savaime besiorganizuojantį pieštuko spindulį, tyrėjai užfiksavo žmogaus kraujo ir smegenų barjero 3D vaizdus 25 kartus greičiau nei dabartinio standarto metodu, išlaikydami panašią skiriamąją gebą. Rodydama atskiras ląsteles, realiuoju laiku absorbuojančias vaistus, ši technologija galėtų padėti mokslininkams išbandyti, ar nauji vaistai nuo neurodegeneracinių ligų, tokių kaip Alzheimerio liga ar ALS, pasiekia savo taikinius smegenyse didesniu greičiu ir skiriamąja geba.

 

„Šioje srityje vyrauja nuomonė, kad padidinus šio tipo lazerio galią, šviesa neišvengiamai taps chaotiška. Tačiau mes įrodėme, kad taip nėra. Mes sekėme įrodymais, priėmėme neapibrėžtumą ir radome būdą, kaip leisti šviesai organizuotis į naują biologinio vaizdavimo sprendimą“, – sako Sixian You, MIT Elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslo katedros (Electrical Engineering and Computer Science, EECS) docentė, Elektronikos tyrimų laboratorijos narė ir vyresnioji straipsnio apie šią vaizdavimo techniką autorė.

 

Straipsnis publikuotas žurnale „Nature Methods“.

 

 

 

Šiame palyginime parodytas kraujo ir smegenų barjero modelio vaizdavimas naudojant įprastą Gauso spindulį (viršuje), palyginti su naujuoju pieštuko spindulio metodu (apačioje), kuris vienu skenavimu fiksuoja visą tūrį ir 3D informaciją. Nuotrauka: MIT

 

Stebinantis atradimas

Atradimas prasidėjo nuo pastebėjimo, kuris iš pradžių glumino tyrėjus.

Komanda anksčiau sukūrė tikslų pluošto formuotuvą – įrenginį, leidžiantį jiems kruopščiai suderinti lazerio šviesą, sklindančią per daugiamodį optinį pluoštą. Šio tipo optinis pluoštas gali pernešti didelę galią.

Cao bandė pasekti daugiamodį pluoštą iki jo ribų, kad pamatytų, kiek galios jis gali sugerti.

Paprastai, kuo daugiau galios pumpuojama į lazerį, tuo labiau netvarkingas ir išsklaidytas tampa šviesos spindulys dėl pluošto netobulumų.

Tačiau Cao pastebėjo, kad padidinus galią beveik iki tokio lygio, kad ji sudegintų pluoštą, šviesa padarė priešingai, nei tikėtasi: ji susitraukė į vieną aštrų spindulį.
„Netvarka būdinga šiems pluoštams. Šviesos inžinerija, kurią paprastai reikia atlikti norint įveikti šį sutrikimą, ypač esant didelei galiai, yra ilgalaikis sudėtingas darbas. Tačiau dėl šios savaiminės organizacijos galima gauti stabilų, itin greitą pieštuko formos spindulį, nereikalaujantį specialių spindulio formavimo komponentų“, – sako You.

 

Norėdami pakartoti šį reiškinį, tyrėjai nustatė, kad jie turėjo atitikti dvi paprastas, bet tikslias sąlygas.

Pirma, lazerio spindulys turi patekti į pluoštą idealiu, nulinio laipsnio kampu. Tai griežtesnis reikalavimas nei įprastai taikomas tokio tipo pluoštams. Antra, galia turi būti padidinta tol, kol šviesa pradeda sąveikauti su paties pluošto stiklu.

„Esant tokiai kritinei galiai, netiesiškumas gali neutralizuoti vidinę netvarką, sukurdamas pusiausvyrą, kuri įėjimo spindulį paverčia savaime organizuotu pieštuko formos spinduliu“, – aiškina Cao.

 

 

Paprastai tyrėjai šiuos eksperimentus atlieka daug mažesniu galios lygiu, bijodami sunaikinti pluoštą, tokiu atveju jie nematytų šios savaiminės organizacijos. Be to, toks tikslus ašinis suderinimas paprastai nėra būtinas, nes daugiamodis pluoštas gali perduoti daug galios.

 

Tačiau kartu šie du metodai gali generuoti stabilų pieštuko formos spindulį be jokių sudėtingų šviesos inžinerijos metodų.

 

„Tai yra šio metodo žavesys – tai galima padaryti naudojant įprastą optinę konfigūraciją ir neturint daug srities žinių“, – sako You.

 

Geresnis spindulys

Kai tyrėjai atliko šio pieštuko formos spindulio charakterizavimo eksperimentus, jis buvo stabilesnis ir didesnės skiriamosios gebos nei daugelis panašių spindulių. Kiti spinduliai dažnai kenčia nuo „šoninių skiltelių“ – neryškių šviesos aureolių, kurios gali iškreipti vaizdus.

 

Jų spindulys buvo skaidresnis ir tiksliau sufokusuotas.

 

Remdamiesi šiais eksperimentais, tyrėjai pademonstravo šio pieštuko formos spindulio naudojimą biomedicininiame žmogaus kraujo ir smegenų barjero vaizdavime.

 

Šis barjeras yra glaudžiai supakuotas ląstelių sluoksnis, apsaugantis smegenis nuo toksinų, tačiau jis taip pat blokuoja daugelį vaistų. Mokslininkai ir klinicistai dažnai nori pamatyti, kaip vaistai teka hematoencefalinio barjero kraujagyslėmis ir ar jie pasiekia savo taikinius smegenyse.

 

Tačiau naudojant standartinius optinius nustatymus, geriausia, ką galima padaryti, tai užfiksuoti vieną 2D kraujagyslių pjūvį vienu metu ir tada pakartoti procesą kelis kartus, kad būtų gautas išsamesnis vaizdas, aiškina You.

 

Naudodami šią naują techniką, tyrėjai sukūrė itin greitą, didelio tikslumo pieštuko spindulį, kuris leido jiems dinamiškai stebėti, kaip ląstelės realiuoju laiku absorbuoja baltymus.

 

„Farmacijos pramonė ypač domisi žmonių modelių naudojimu vaistams, kurie veiksmingai kerta barjerą, ieškoti, nes gyvūnų modeliai dažnai nesugeba numatyti, kas vyksta žmonėms. Tai, kad šiam naujam metodui nereikia, kad ląstelės turėtų fluorescencinę žymę, keičia žaidimo taisykles. Pirmą kartą dabar galime vizualizuoti vaistų patekimą į smegenis ir netgi nustatyti greitį, kuriuo tam tikri ląstelių tipai internalizuoja vaistą“, – sako Kamm.

 

„Svarbu tai, kad šis metodas neapsiriboja vien hematoencefaliniu barjeru, bet leidžia laikui bėgant sekti įvairius junginius ir molekulinius taikinius sukonstruotuose audinių modeliuose, suteikdamas galingą biologinės inžinerijos įrankį“, – priduria Spitzas.

 

Komanda užfiksavo aukštesnės kokybės ląstelių lygio 3D vaizdus nei naudojant kitus metodus ir sukūrė šiuos vaizdus maždaug 25 kartus greičiau.

 

„Paprastai tenka rinktis kompromisą tarp vaizdo skiriamosios gebos ir fokusavimo gylio – vienu metu galima zonduoti tik tam tikrą atstumą. Tačiau naudodami mūsų metodą galime įveikti šį kompromisą sukurdami pieštuko spindulį, pasižymintį didele skiriamąja geba ir dideliu fokusavimo gyliu“, – sako You.

 

Ateityje tyrėjai nori geriau suprasti pagrindinę pieštuko spindulio fiziką ir jo saviorganizacijos mechanizmus. Jie taip pat planuoja pritaikyti šią techniką ir kituose scenarijuose, pavyzdžiui, neuronų vaizdavimui smegenyse, ir siekti šios technologijos komercializavimo.

 

Self-localized ultrafast pencil beam for volumetric multiphoton imaging, Nature Methods (2026). DOI: 10.1038/s41592-026-03067-0 , www.nature.com/articles/s41592-026-03067-0

108 metų Lietuvos ekonomikos DNR: nuo bekono iki lazerių