Ученые из MIT превратили хаотичный лазерный свет в мощный инструмент для визуализации мозга

Хаотичный лазерный свет научился новой хитрости — превращаться в прецизионный луч, который может ускорить исследования заболеваний мозга.

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили неожиданный эффект в оптической физике, который может привести к более быстрому и детальному способу визуализации живых тканей. При определенных условиях то, что обычно выглядит как рассеянный и беспорядочный лазерный сигнал, может самоорганизоваться в узкий, сильно сфокусированный «карандашный» луч.

С помощью такого самосформировавшегося луча команда получила трехмерные изображения человеческого гематоэнцефалического барьера (гематоэнцефалического барьера, ГЭБ) со скоростью примерно в 25 раз выше, чем у нынешнего золотого стандарта, сохранив при этом сопоставимое качество изображений. Метод также позволяет наблюдать, как отдельные клетки в реальном времени поглощают препараты. Это может помочь ученым оценить, достигают ли лекарства, предназначенные для лечения таких состояний, как болезнь Альцгеймера или БАС, своих целей в мозге.

«Общее убеждение в этой области состоит в том, что если увеличить мощность такого лазера, свет неизбежно станет хаотичным. Но мы доказали, что это не так. Мы следовали за данными, приняли неопределенность и нашли способ позволить свету организоваться в новое решение для биовизуализации», — говорит Сисян Ю (Sixian You), доцент кафедры электротехники и компьютерных наук MIT, член Исследовательской лаборатории электроники и старший автор статьи о этой методике визуализации.

Соавторами статьи являются ведущий автор Хонхао Цао (Honghao Cao), аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук; аспиранты Ли-Ю Ю (Li-Yu Yu) и Кунцан Лю (Kunzan Liu); постдоки Сара Спитц (Sarah Spitz), Франческа Микела Прамоттон (Francesca Michela Pramotton) и Федерико Презутти (Federico Presutti); Чжэнью Чжан (Zhengyu Zhang), доктор философии ’24; Субхаш Кулкарни (Subhash Kulkarni), доцент Гарвардского университета и медицинского центра Бет Исраэль Диаконесс; и Роджер Камм (Roger Kamm), почетный профессор биологической и механической инженерии MIT. Статья публикуется сегодня в Nature Methods.

Неожиданное поведение лазера

Открытие началось с наблюдения, которое не соответствовало ожиданиям.

Ранее исследователи создали точный формирователь волокон — устройство, позволяющее тщательно контролировать лазерный свет, проходящий через многомодовое оптическое волокно, способное пропускать большие уровни мощности. Цао постепенно увеличивал мощность лазера, чтобы проверить пределы работы волокна.

Обычно при увеличении мощности свет больше рассеивается из-за несовершенств внутри волокна. Однако по мере того как мощность приближалась к порогу, при котором волокно могло быть повреждено, свет внезапно сконцентрировался в один чрезвычайно острый луч.

«Беспорядок присущ этим волокнам. Оптические приемы, которые обычно применяются для преодоления этого беспорядка, особенно при высокой мощности, долгое время были проблемой. Но при этой самоорганизации можно получить стабильный ультрабыстрый карандашный луч без необходимости в специализированных компонентах для формирования пучка», — говорит Ю.

Условия, которые обеспечивают самоорганизацию света

Чтобы воспроизвести этот эффект, команда выделила два ключевых требования.

Во-первых, лазер должен входить в волокно точно при нулевом угле, что строже, чем стандартная практика. Во-вторых, мощность нужно увеличить до уровня, при котором свет начинает напрямую взаимодействовать со стеклом волокна.

«При этой критической мощности нелинейность может уравновесить внутренний беспорядок, создавая баланс, который преобразовывает входной пучок в самоорганизованный карандашный луч», — объясняет Цао.

Такие условия редко исследуются, потому что ученые обычно избегают высоких уровней мощности, чтобы не повредить волокно. Точная выверка также обычно не требуется, так как многомодовые волокна уже способны нести большие количества энергии. Однако в сочетании эти факторы позволяют системе производить стабильный луч без сложной оптической инженерии.

«В этом и прелесть метода — это можно сделать с обычной оптической установкой и без глубоких профильных знаний», — добавляет Ю.

Более четкая визуализация с меньшим количеством артефактов

Тесты показали, что этот карандашный луч одновременно стабилен и отличается высоким уровнем детализации по сравнению с аналогичными пучками. Многие традиционные пучки дают «боковые лепестки» — размытые ореолы, которые ухудшают четкость изображения.

Напротив, этот луч остается чистым и плотно сфокусированным.

Затем исследователи применили технику для визуализации человеческого гематоэнцефалического барьера — плотного слоя клеток, который защищает мозг от вредных веществ, но также препятствует проникновению многих лекарств.

Быстрая трехмерная визуализация ГЭБ

Ученым часто требуется наблюдать, как препараты перемещаются по сосудам в этом барьере и достигают ли они мозговой ткани. Традиционные оптические методы обычно захватывают по одному двумерному слою за раз, что требует повторных сканирований для построения полного 3D-изображения.

С применением нового карандашного луча команда получила быстрые высокоточные изображения и одновременно отслеживала, как клетки в реальном времени поглощают белки.

«Фармацевтической отрасли особенно интересно использовать модели на основе человеческих тканей для скрининга препаратов, которые эффективно пересекают барьер, поскольку животные модели часто не предсказывают то, что происходит у людей. То, что этот новый метод не требует флуоресцентной маркировки клеток, — это переломный момент. Впервые мы можем визуализировать временную динамику проникновения препаратов в мозг и даже определить скорость, с которой конкретные типы клеток эндоцитируют препарат», — говорит Камм.

«Важно и то, что этот подход не ограничивается только гематоэнцефалическим барьером: он позволяет временноразрешающее отслеживание различных соединений и молекулярных мишеней в инженерных моделях тканей, предоставляя мощный инструмент для биологической инженерии», — добавляет Спитц.

Система выдавала 3D-изображения на клеточном уровне с улучшенным качеством и делала это примерно в 25 раз быстрее по сравнению с существующими методами.

«Обычно существует компромисс между разрешением изображения и глубиной резкости — можно изучать только ограниченную глубину за раз. Но с нашим методом мы можем преодолеть этот компромисс, создав карандашный луч с высоким разрешением и большой глубиной фокуса», — говорит Ю.

Дальнейшие планы

В будущем исследователи намерены лучше понять физику, лежащую в основе этого самоорганизующегося луча, и механизмы его формирования. Они также планируют расширить применение метода, включая визуализацию нейронов, и искать пути практической реализации технологии.

Финансирование и поддержка

Эта работа частично финансировалась за счет стартап-фондов MIT, Национального научного фонда (NSF), фонда сообщества Силиконовой долины (Silicon Valley Community Foundation), фонда Diacomp, Ядра по заболеваниям пищеварительной системы Гарварда, стипендии MathWorks и премии Клода Э. Шеннона.

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом.

Ссылка на публикацию: Honghao Cao, Sarah Spitz, Li-Yu Yu, Kunzan Liu, Zhengyu Zhang, Federico Presutti, Francesca Michela Pramotton, Subhash Kulkarni, Roger D. Kamm, Sixian You. Self-localized ultrafast pencil beam for volumetric multiphoton imaging. Nature Methods, 2026; DOI: 10.1038/s41592-026-03067-0.