מדעני MIT הופכים אור לייזר כאוטי לכלי הדמיית מוח רב עוצמה

בעזרת האלומה שנוצרה בעצמה, הצוות הפיק תמונות תלת-ממדיות של מחסום הדם-מוח האנושי במהירויות גבוהות פי 25 בערך מגישת תקן הזהב הנוכחית, תוך שמירה על איכות תמונה דומה. השיטה גם מאפשרת לצפות בתאים בודדים סופגים תרופות בזמן אמת. זה יכול לעזור למדענים להעריך אם טיפולים במצבים כמו אלצהיימר או ALS אכן מגיעים ליעדים המיועדים להם במוח.

"האמונה הרווחת בתחום היא שאם תגביר את הכוח בלייזר מסוג זה, האור בהכרח יהפוך לכאוטי. אבל הוכחנו שזה לא המקרה. עקבנו אחר הראיות, אימצנו את חוסר הוודאות ומצאנו דרך לתת לאור להתארגן לפתרון חדש להדמיה ביולוגית", אומר Sixian You, עוזר פרופסור במחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב ב-EECS ו-MIT. אלקטרוניקה, ומחבר בכיר של מאמר על טכניקת הדמיה זו.

היא מצטרפת במאמר על ידי הסופר הראשי Honghao Cao, סטודנט לתואר שני ב-EECS; סטודנטים לתארים מתקדמים EECS Li-Yu Yu ו-Konzan Liu; הדוקטורט שרה שפיץ, פרנצ'סקה מיקלה פרמוטון ופדריקו פרסוטי; Zhengyu Zhang PhD '24; סובהאש קולקרני, עוזר פרופסור באוניברסיטת הרווארד ובמרכז הרפואי בית ישראל לדאקונס; ורוג'ר קאם, הפרופסור המוכר של ססיל ואידה גרין להנדסת ביולוגית ומכונות ב-MIT. המאמר מופיע היום ב-Nature Methods.

מופיעה התנהגות לייזר מפתיעה

הממצא התחיל בתצפית שלא התאימה לציפיות.

החוקרים בנו בעבר מדוייק מעצב סיביםמכשיר המאפשר שליטה קפדנית על אור הלייזר העובר דרך סיב אופטי רב-מודד, המסוגל לשאת רמות גבוהות של כוח.

קאו הגדיל בהדרגה את כוח הלייזר כדי לבדוק את גבולות הסיב.

בדרך כלל, הגדלת העוצמה גורמת לאור להתפזר יותר עקב פגמים בתוך הסיב. במקום זאת, כשהכוח התקרב לסף שבו הסיב עלול להינזק, האור התרכז לפתע לאורה אחת וחדה במיוחד.

"הפרעה היא מהותית לסיבים האלה. הנדסת האור שאתה צריך לעשות בדרך כלל כדי להתגבר על ההפרעה הזו, במיוחד בהספק גבוה, היא טרחה ארוכת שנים. אבל עם הארגון העצמי הזה, אתה יכול לקבל אלומת עיפרון יציבה ומהירה במיוחד ללא צורך ברכיבים לעיצוב אלומה מותאמים אישית," אתה אומר.

תנאים המאפשרים אור מארגן עצמי

כדי לשחזר את האפקט הזה, הצוות זיהה שתי דרישות מפתח.

ראשית, על הלייזר להיכנס לסיב בזווית מיושרת מושלמת, אפס מעלות, שהיא מחמירה יותר מהנוהג המקובל. שנית, יש להגביר את ההספק עד שהאור יתחיל ליצור אינטראקציה ישירה עם חומר הזכוכית של הסיב.

"בכוח קריטי זה, האי-לינאריות יכולה להתמודד עם ההפרעה הפנימית, וליצור איזון שהופך את קרן הקלט לקרן עיפרון מאורגנת בעצמה", מסביר קאו.

תנאים כאלה נחקרים רק לעתים נדירות מכיוון שחוקרים בדרך כלל נמנעים מרמות הספק גבוהות כדי למנוע פגיעה בסיב. יישור מדויק גם אינו הכרחי בדרך כלל מכיוון שסיבי מולטי-מוד כבר יכולים לשאת כמויות גדולות של אנרגיה.

אולם בשילוב גורמים אלו מאפשרים למערכת לייצר אלומה יציבה ללא הנדסה אופטית מורכבת.

"זה הקסם של השיטה הזו – אתה יכול לעשות זאת עם התקנה אופטית רגילה וללא מומחיות רבה בתחום," אתה אומר.

הדמיה חדה יותר עם פחות חפצים

בדיקות הראו שקרן העיפרון הזו היא גם יציבה וגם מפורטת בהשוואה לקורות דומות. אלומות קונבנציונליות רבות מייצרות "אונות צד" – הילות מטושטשות המפחיתות את בהירות התמונה.

לעומת זאת, אלומה זו נשארת נקייה וממוקדת בחוזקה.

לאחר מכן יישמו החוקרים את הטכניקה כדי לדמיין את מחסום הדם-מוח האנושי, שכבה צפופה של תאים שמגנה על המוח מחומרים מזיקים אך גם חוסמת תרופות רבות.

הדמיה תלת מימדית מהירה יותר של מחסום הדם-מוח

לעתים קרובות, מדענים צריכים לראות כיצד תרופות עוברות דרך כלי הדם במחסום זה והאם הן מצליחות להגיע לרקמת המוח. שיטות אופטיות מסורתיות בדרך כלל לוכדות פרוסה דו-ממדית אחת בכל פעם, הדורשות סריקות חוזרות ונשנות כדי לבנות תמונה תלת-ממדית שלמה.

באמצעות גישת אלומת העיפרון החדשה, הצוות יצר תמונות מהירות ובדיוק גבוה תוך מעקב אחר האופן שבו תאים סופגים חלבונים בזמן אמת.

"תעשיית התרופות מעוניינת במיוחד בשימוש במודלים מבוססי אדם כדי לסנן תרופות שחוצות את המחסום ביעילות, שכן מודלים של בעלי חיים לרוב לא מצליחים לחזות מה קורה בבני אדם. שהשיטה החדשה הזו לא מחייבת את התאים עם תג פלואורסצנטי היא משנה משחק. בפעם הראשונה, אנחנו יכולים כעת לדמיין את כניסת התרופות תלויה בזמן של תרופות למוח", אומר קאם אפילו מזהה את התרופה הפנימית בקצב הספציפי של התרופה.

"עם זאת, חשוב לציין, שגישה זו אינה מוגבלת למחסום הדם-מוח אלא מאפשרת מעקב בפתרון זמן של תרכובות ומטרות מולקולריות מגוונות על פני מודלים של רקמות מהונדסים, מה שמספק כלי רב עוצמה להנדסה ביולוגית", מוסיף ספיץ.

המערכת הפיקה תמונות תלת מימד ברמה סלולרית באיכות משופרת ועשתה זאת בערך פי 25 מהר יותר מהשיטות הקיימות.

"בדרך כלל, יש לך פשרה בין רזולוציית תמונה לעומק הפוקוס – אתה יכול לחקור רק עד כה בכל פעם. אבל בשיטה שלנו, אנחנו יכולים להתגבר על הפשרה הזו על ידי יצירת קרן עיפרון עם רזולוציה גבוהה ועומק מיקוד גדול", אומר אתה.

יישומים עתידיים והשלבים הבאים

במבט קדימה, החוקרים שואפים להבין טוב יותר את הפיזיקה מאחורי הקרן המארגנת את עצמה ואת המנגנונים המאפשרים לה להיווצר. הם גם מתכננים להרחיב את השיטה ליישומים אחרים, כולל הדמיה של נוירונים, ולחקור דרכים להביא את הטכנולוגיה לשימוש מעשי.

עבודה זו מומנה, בחלקה, על ידי קרנות הזנק של MIT, הקרן הלאומית למדע (NSF), קרן הקהילה של עמק הסיליקון, קרן Diacomp, ליבת מחלת העיכול של הרווארד, מלגת MathWorks ופרס קלוד א. שאנון.