科學家們數十年來不斷推進顯微鏡技術的極限，以捕捉更清晰、更深入的大腦圖像。傳統的基於光的系統可以詳細映射皮層，但在不失去解析度的情況下，卻很難達到像海馬體這樣的深層區域。這一挑戰在成像單個細胞內的分子活動時更加艱巨，因為這是理解大腦功能和疾病的關鍵步驟。麻省理工學院的科學家和工程師們現在開發出一種顯微鏡，利用超快光脈衝與聲音檢測相結合，克服了這一障礙。
這一系統可以在不使用染料、化學品或基因改造的情況下，實現超過現有方法五倍以上的深度成像。研究人員相信，這一技術可能會改變神經科學研究和外科應用的格局。該研究表明，該系統可以通過密集的大腦樣本檢測 NAD(P)H，一種與細胞代謝和神經元活動相關的分子。測試包括一個厚度為 1.1 毫米的人類幹細胞衍生的大腦樣本和一個厚度為 0.7 毫米的老鼠大腦組織切片。
設計該系統的博士後研究員 W. David Lee 表示：“那時我們就碰到了另一側的玻璃。”他解釋說，樣本不夠大，無法發揮技術的真正潛力。該設備使用三光子激發方法，將超短光脈衝發射到分子正常吸收波長的三倍處。這些較長的波長散射較少，能更深入組織。大多數被吸收的能量在細胞內產生快速的微觀熱膨脹，從而產生聲波。敏感的超聲波麥克風檢測這些波，並通過軟件將它們轉化為清晰的圖像。這一過程被稱為三光子光聲成像。
該團隊將三光子激發、光聲檢測和無標籤成像相結合，形成了一個名為「Multiphoton-In and Acoustic-Out」的平台。這一設置允許精確的分子檢測，而不改變組織。該系統還可以識別其他分子，如 GCaMP，一種用於跟蹤神經活動的鈣指示劑。此外，「第三次諧波生成」成像則可以在同一次掃描中映射細胞結構，提供結構和分子細節。來自 Picower 研究所的共同作者 Tatsuya Osaki 表示，目標是將先進技術整合為一個高效的過程。
這一能力可以幫助研究 NAD(P)H 水平變化的病症，包括阿茲海默症、雷特綜合症和癲癇。因為它不需要標籤，它還可以通過實時映射活動來指導腦部手術。下一個目標是在活體動物中測試該系統。在這種情況下，光源和麥克風需要位於組織的同一側，而不是對面。Lee 預計該系統可以在活體大腦中成像深度達 2 毫米。他表示：“原理上應該可以運行。”
Lee 之前在 Precision Healing Inc. 的工作顯示，NAD(P)H 成像可以指導傷口治療。現在，這一方法可能對神經外科和大腦研究具有重要價值。該項目獲得了美國國家衛生研究院、Simon 社會大腦中心、Picower 研究所及其他來源的資助。
