研究人员在麻省理工学院(MIT)发现了一种光学物理中的意外效应，这可能导致更快、更详细的活体组织成像方法。在特定条件下，通常看起来散乱无序的激光信号可以重新组织成狭窄、高度聚焦的"铅笔光束"。
利用这种自形成的光束，研究团队以比当前黄金标准方法快约25倍的速度生成了人血脑屏障的3D图像，同时保持了相似的图像质量。该方法还使得实时观察单个细胞吸收药物成为可能。这可以帮助科学家评估针对阿尔茨海默病或肌萎缩侧索硬化症(ALS)等疾病的治疗方法是否真正到达了大脑中的目标位置。
"该领域的普遍观点是，如果你在这种类型的激光中增加功率，光线不可避免地会变得混乱。但我们证明情况并非如此。我们遵循证据，接受不确定性，并找到了一种让光线自我组织成生物成像新解决方案的方法，"麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)助理教授、电子研究实验室成员、该成像技术论文的高级作者Sixian You表示。
她与该论文的共同作者包括：主要作者、EECS研究生Honghao Cao；EECS研究生Li-Yu Yu和Kunzan Liu；博士后Sarah Spitz、Francesca Michela Pramotton和Federico Presutti；2024届博士毕业生Zhengyu Zhang；哈佛大学和贝斯以色列女执事医疗中心(Beth Israel Deaconess Medical Center)助理教授Subhash Kulkarni；以及麻省理工学院生物与机械工程Cecil和Ida Green特聘教授Roger Kamm。该论文今天发表在《自然·方法》(Nature Methods)期刊上。
激光的意外行为显现
这一发现始于一个不符合预期的观察。
研究人员此前已经构建了一个精密的光纤整形器(fiber shaper)，这是一种允许仔细控制通过多模光纤(multimode optical fiber)传输的激光光的设备，该光纤能够承载高水平的功率。
Cao逐渐增加激光功率以测试光纤的极限。
通常，增加功率会导致光线因光纤内部的缺陷而更加散射。相反，当功率接近可能损坏光纤的阈值时，光线突然集中成单一、极其尖锐的光束。
"无序是这些光纤的固有特性。通常你需要进行的光工程来克服这种无序，尤其是在高功率下，是一个长期存在的麻烦。但通过这种自组织，你可以获得稳定的超快铅笔光束，而不需要定制的光束整形组件，"You说。
实现自组织光的条件
为了重现这种效果，研究团队确定了两个关键要求。
首先，激光必须以完全对齐的零度角进入光纤，这比标准做法更严格。其次，必须增加功率，直到光线开始与光纤的玻璃材料直接相互作用。
"在这一临界功率下，非线性可以抵消固有无序，创造一种平衡，将输入光束转化为自组织的铅笔光束，"Cao解释道。
这些条件很少被探索，因为研究人员通常避免高功率水平以防止损坏光纤。精确对准通常也不是必需的，因为多模光纤已经能够承载大量能量。
然而，当这些因素结合起来时，它们允许系统在不进行复杂光学工程的情况下产生稳定光束。
"这种方法的魅力在于——你可以使用普通的光学设置，而不需要太多领域专业知识，"You说。
更清晰的成像，更少的伪影
测试表明，与类似光束相比，这种铅笔光束既稳定又高度详细。许多传统光束会产生"旁瓣"(sidelobes)——模糊的光环，降低了图像清晰度。
相比之下，这种光束保持干净且高度聚焦。
然后，研究人员将该技术应用于人血脑屏障成像，这是一层密集的细胞，保护大脑免受有害物质侵害，但也阻止了许多药物。
血脑屏障的更快3D成像
科学家通常需要观察药物如何通过该屏障中的血管移动，以及它们是否成功到达脑组织。传统的光学方法通常一次只捕获一个2D切片，需要重复扫描才能构建完整的3D图像。
使用新的铅笔光束方法，研究团队生成了快速、高精度的图像，同时实时跟踪细胞如何吸收蛋白质。
"制药行业特别有兴趣使用基于人类的模型来筛选能有效穿过屏障的药物，因为动物模型通常无法预测人类会发生什么。这种方法不需要细胞具有荧光标记是一个游戏规则改变者。我们首次能够可视化药物进入大脑的时间依赖性，甚至识别特定细胞类型内化药物的速率，"Kamm说。
"重要的是，这种方法不仅限于血脑屏障，还能实现对工程组织模型中各种化合物和分子靶点的时间解析跟踪，为生物工程提供强大工具，"Spitz补充道。
该系统生成了细胞级3D图像，质量有所提高，并且速度比现有方法快约25倍。
"通常，你在图像分辨率和焦深之间需要权衡——你一次只能探测到一定深度。但使用我们的方法，我们可以通过创建同时具有高分辨率和大焦深的铅笔光束来克服这种权衡，"You说。
未来应用和下一步计划
展望未来，研究人员旨在更好地理解这种自组织光束背后的物理原理以及使其形成的机制。他们还计划将该方法扩展到其他应用，包括成像神经元，并探索将技术带入实际使用的方法。
这项工作部分得到了MIT创业资金、美国国家科学基金会(NSF)、硅谷社区基金会、Diacomp基金会、哈佛消化疾病中心、MathWorks奖学金和Claude E. Shannon奖的资助。
图片说明：在适当条件下，混乱的激光光可以自发地自我组织成高度聚焦的"铅笔光束"。此示意图显示了铅笔光束形成机制。来源：MIT
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