麻省理工學院的研究人員發現了光學物理學中的一種意想不到的效應，它可能會帶來一種更快、更詳細的活體組織成像方法。在特定條件下，通常看起來分散、雜亂的雷射訊號可以將自身重組為狹窄、高度聚焦的「筆形光束」。
利用這種自製的光，團隊以比目前黃金標準方法快約 25 倍的速度創建了人體血腦屏障的 3D 影像，同時保持了相似的影像品質。這種方法還可以即時觀察單一細胞吸收藥物的情況。這可以幫助科學家評估阿茲海默症或肌萎縮側索硬化症等疾病的治療是否能在大腦中實現預期目標。
「這個領域普遍認為，如果增加這種類型雷射的功率，光線將不可避免地變得混亂。但我們可以證明事實並非如此。我們遵循證據接受不確定性，找到了一種讓光自行組織的方法，為生物成像提供了新的解決方案，」麻省理工學院電氣工程與計算機科學系助理教授、電子研究實驗室成員尤思賢說道。以及這篇關於成像技術的文章的資深作者。
這篇論文的主要作者曹宏浩是 EECS 的研究生。 EECS 研究生 Li-Yu Yu 和 Kunzan Liu；博士後 Sarah Spitz、Francesca Michela Pramotton 和 Federico Presutti；張正宇，博士’24； Subhash Kulkarni，哈佛大學和貝斯以色列女執事醫療中心助理教授；羅傑·卡姆 (Roger Kamm)，麻省理工學院格林塞西爾和艾達·格林理工學院。這篇文章發表在《自然方法》。
令人驚訝的雷射行為發生
這項發現始於與預期不符的觀察結果。
此前，研究人員已經創建了精確的光纖模擬器。它是一種可以仔細控制透過多模光纖傳播的雷射的設備。可以高水平傳輸能量
曹逐漸增加雷射功率來測試光纖的極限。
通常，由於光纖內部的缺陷，增加功率會導致光散射更多。另一方面，當功率接近極限時，光纖可能會損壞。光線聚集成一束非常銳利的光束。
「異常現象存在於這些光纖中。這基本上是克服這種異常現象所需的光工程。特別是在使用高功率時。這被認為是一個長期存在的難題。但透過這種自組織，您可以獲得超穩定和快速的筆形光束，而不需要定制光束整形組件，」您說。
允許自訂照明的條件
該團隊確定了重現這種效果的兩個關鍵要求。
首先，雷射必須以對齊的零度角進入光纖。這比標準操作更嚴格。其次，必須增加功率，直到光開始直接與光纖的玻璃材料相互作用。
「借助這場危機的力量，非線性可以對抗內部異常。它創造了一種平衡，將輸入光束轉變為自對準筆形光束，」曹解釋道。
此類條件很少被探索。這是因為研究人員通常會避免高能量水平以防止纖維損壞。通常也不需要精確對準。這是因為多模光纖已經可以承載大量功率。
然而，當結合這些因素時，系統無需複雜的光學工程即可產生穩定的光束。
「這就是這種方法的魅力。您可以使用正常的光學設定來完成此操作，而無需具備太多的領域專業知識，」您說。
影像更清晰，偽影更少
測試表明，與類似的光束相比，這種筆形光束更加穩定和細緻。許多常見的光束會產生“旁瓣”，這是一種模糊的光暈，會降低影像清晰度。
相反，此光束保持乾淨且緊密聚焦。
然後研究人員使用這種技術對人類血腦屏障進行成像。這是一層緻密的細胞，可以保護大腦免受有害物質的侵害。但它也能阻止許多藥物。
血腦屏障的更快 3D 視覺化
科學家經常必須觀察藥物如何穿過這個屏障中的血管。藥物能到達腦組織嗎？傳統的光學方法通常一次捕捉一個 2D 零件，需要重複掃描才能建立完整的 3D 影像。
該團隊使用新的筆形光束方法創建了快速、高精度的影像。同時，它也能即時追蹤細胞如何吸收蛋白質。
「製藥業對使用人體模型來篩選有效跨越障礙的藥物特別感興趣。這是因為動物模型通常無法預測人體會發生什麼。這種新方法不需要細胞攜帶螢光標籤，這一事實改變了遊戲規則。我們現在第一次可以可視化藥物進入大腦的時間依賴性輸送。甚至可以確定藥物中特定細胞類型的產生速率，」Kamm 說。
「重要的是，這種方法不僅限於血腦屏障。但它允許追蹤各種化合物和分子目標。在及時設計的組織模型中，它是生物工程的強大工具，」斯皮茨補充道。
該系統可以在細胞層面上創建品質更好的 3D 影像。而且它的速度比現有方法快約 25 倍。
「通常，您需要在影像解析度和景深之間進行權衡。您一次只能檢查少量。但以我們的方式，我們能夠透過創建具有高解析度和大景深的筆形光束來克服這一優勢，」您說。
未來的使用和後續步驟
展望未來 研究人員的目標是更了解自組織光束背後的物理原理及其形成機制。他們還計劃將該方法擴展到其他應用。包括對神經元進行成像並找到將該技術投入實際應用的方法
這項工作的部分資金來自麻省理工學院啟動基金、國家科學基金會 (NSF)、矽谷社區基金會、Diacomp 基金會、哈佛消化疾病核心、MathWorks 聯盟和克勞德·E·香農獎。
