video: Neuronal somata, neuronal processes and blood cells deep inside deep brain areas of a living mouse. The images were obtained via a single multimode fiber. view more
Credit: Sergey Turtaev, Ivo T. Leite, Tristan Altwegg-Boussac, Janelle M.P. Pakan, Nathalie L. Rochefort, Tomas Cizmar
研究人员利用头发丝细光纤可以如同透过钥匙孔一般来观察活体老鼠的深部脑区。最近发展的用于在复杂介质中全息控制光传播的方法使得多模光纤能够作为有效的成像工具。基于这种新手段，科学家们设计了一种用于在光纤端部进行荧光成像的灵巧系统，与基于光纤束或者渐变折射率透镜的传统内窥镜相比，它具有更小的体积和更高的成像分辨率。
作为这项研究论文的第一作者，来自Leibniz-IPHT的Sergey Turtaev博士说道：“我们非常地激动看到我们的技术向神经科学的实际应用领域迈出的第一步。” 来自Leibniz-IPHT的Ivo T. Leite博士补充说道：“我们首次证明，有可能以微创方式检查活体动物样本的深部大脑区域，并同时获得高分辨率的图像。” Sergey和Ivo共同工作在由Leibniz-IPHT科学家Tomáš Čižmár教授领导的研究团队，Tomáš Čižmár教授开发了通过单根光纤的全息成像方法。使用这种方法，研究团队成功地获得了活体小鼠的视觉皮层和海马体中的脑细胞和神经元过程的图像，其图像分辨率接近1微米（即小于1毫米的1000倍）。这些脑内区域的细致观察对于研究感觉知觉，记忆形成以及严重的神经元疾病（如阿尔茨海默症）至关重要。当前的研究方法中都具有较强的损伤性，因此无法在观察这些内部区域的神经网络时而不对周围组织造成大规模破坏，由数百根光纤组成的内窥镜通常太大而无法穿透这些敏感的大脑区域，然而神经元结构又太小，无法通过磁共振成像（MRI）等非损伤性成像方法进行观察。
来自爱丁堡大学的Nathalie Rochefort博士进一步阐述说道：“这种微创方法将使神经科学家能够研究活体动物大脑深层结构中神经元的功能，即在不干扰神经元回路运转的情况下，有可能在动物探索环境或学习一项新任务时来揭示这些神经元回路的活动” 。
在这项工作的基础上，研究团队现在希望进一步解决当前神经科学的诸多挑战，这将需要通过单光纤内窥镜来提供更加先进的显微技术。Tomáš Čižmár教授总结说道：“这项工作源于多年来在神经科学中运用先进光子学原理和技术的努力。我们将继续努力，争取在这项研究中做出更多更大进展，主要目标是要将现代显微镜中最先进的方法运用并深入到活体生物和功能组织的内部。”
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