Eine optische Faser, die so dünn wie eine Haarsträhne ist, ist vielversprechend für den Einsatz in minimalinvasiven Tiefengewebeuntersuchungen des Gehirns von Patienten, die die Auswirkungen der Alzheimer-Krankheit und anderer Hirnerkrankungen zeigen. Die Forschung könnte die Voraussetzungen für eine minimalinvasive In-vivo-Bildgebung des Gehirns in Laborstudien und die Überwachung der neuronalen Aktivität im Laufe der Zeit bei Patienten mit neurologischen Erkrankungen schaffen.
„Die ultradünne Multimode-Faser würde problemlos in eine Akupunkturnadel passen, und wir wissen, dass diese Nadeln nahezu schmerzfrei in jeden Körper eingeführt werden können, was möglicherweise eine Tiefengewebe-Bildgebung in Echtzeit ermöglicht“, sagte Co-Autor Benjamin Lochocki von der Vrije Universiteit Amsterdam.
Die Herausforderung besteht darin, die Bildauflösung auf subzellulärer Ebene effizient zu erhöhen, da ein Informationsverlust durch Lichtverwürfelung unvermeidlich ist. Im APL Photonikbegegnen Forscher in den Niederlanden dieser Herausforderung mit Speckle-based Compression Imaging (SBCI), das die Lichtverwürfelung von Multimode-Fasern zu ihrem Vorteil nutzt.
Optische Fasern, eine gut verstandene Lösung, um Licht über große Entfernungen zu leiten, haben aufgrund ihrer winzigen Abmessungen in der Mikroendoskopie zunehmend Aufmerksamkeit erregt, da sie einen besseren Zugang zu tief liegendem Gewebe ermöglichen. Sie eliminieren auch die Notwendigkeit einer fluoreszierenden Markierung, ein komplizierter und kostspieliger Schritt.
Lichtverwürfelung wird typischerweise durch Formen der Wellenfront eines einfallenden Strahls angegangen, um die Streuung zu reduzieren und einen fokussierten Strahl am distalen Ende der Faser zu erzeugen. Diese Technik hat jedoch Einschränkungen in Bezug auf die Aufnahmegeschwindigkeit und die Erzeugung hochwertiger tiefer Gewebebilder.
SBCI ändert die Laserstrahleintrittsposition, um am Faserausgang mehrere und unkorrelierte zufällige Speckle-Muster zu erzeugen. Ein Computeralgorithmus kann basierend auf dem Muster und seinen gesammelten Informationen ein Bild des Objekts rekonstruieren.
Diese „komprimierende Bildgebung“ reduziert die Menge an Pixelmessungen, die erforderlich sind, um ein Bild ähnlicher oder besserer Qualität als die Goldstandard-Rasterbildgebung zu rekonstruieren, die in herkömmlichen Endoskopen und Mikroskopen verwendet wird. SBCI kann hochauflösende Bilder bis zu 11-mal schneller und für einen dreimal so großen Raum erzeugen als der herkömmliche Rasterscan-Ansatz.
Die Technik wurde verwendet, um Lipofuszin abzubilden, ein altersbedingtes fluoreszierendes Pigment, das sich im Laufe der Zeit als Stoffwechselabfall im Soma ansammelt, dem Teil der Neuronen, der den Kern enthält und für die Neurotransmitterproduktion verantwortlich ist. Eine anormale Akkumulation von Lipofuszin könnte mit dem Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden, obwohl es wenig Verständnis für diesen Prozess gibt.
Die Pigmentansammlung wurde in einer Gehirngewebeprobe eines Spenders eines Alzheimer-Patienten sichtbar gemacht, die von der niederländischen Gehirnbank erhalten wurde.
Benjamin Lochocki et al, Epi-Fluoreszenz-Bildgebung des menschlichen Gehirns durch eine Multimode-Faser, APL Photonik (2022). DOI: 10.1063/5.0080672