Новый лазерный пучок позволил заглянуть в мозг: физики MIT рассмотрели гематоэнцефалический барьер

Команда физиков из Массачусетского технологического института (MIT) совершила неожиданное открытие, работая с многомодовым оптическим волокном. Внутри такого волокна свет распространяется по нескольким траекториям одновременно, что позволяет выдерживать высокие мощности без повреждения материала. Исследователи тестировали предел прочности оптоволокна, постепенно увеличивая мощность лазера.

Обычно с ростом мощности излучение становится более рассеянным и хаотичным из-за внутренних несовершенств структуры. Однако когда физики достигли критической точки, почти вызывающей горение волокна, свет повел себя парадоксально: он самоорганизовался в острый, стабильный и сфокусированный игольчатый пучок.

Принцип самоорганизации и первые результаты

Как объяснил один из авторов работы Хунхао Цао, при критической мощности нелинейные эффекты начинают противостоять внутреннему беспорядку, создавая баланс, который преобразует входящий луч в самоорганизованный игольчатый пучок. Для этого необходимы два условия: лазер должен падать на оптоволокно строго перпендикулярно, а мощность должна быть достаточной для взаимодействия света со стеклом.

Ученые протестировали новый пучок на человеческом гематоэнцефалическом барьере (ГЭБ) — плотном слое клеток, защищающем мозг от токсинов, но одновременно препятствующем проникновению многих лекарств. С помощью игольчатого луча удалось в реальном времени проследить, как клетки поглощают белки, причем без использования флуоресцентных меток.

Прорыв в визуализации лекарственных препаратов

Профессор биологической и механической инженерии Роджер Камм отметил, что отказ от флуоресцентной маркировки меняет правила игры: теперь можно визуализировать динамику проникновения лекарств в мозг и даже определять скорость усвоения препарата конкретными типами клеток. Исследователи получили трехмерные изображения клеток ГЭБ более высокого качества, чем при использовании других методов, причем в 25 раз быстрее. Новый метод не заставляет выбирать между разрешением и глубиной фокуса — всю информацию можно получить за один скан.

Физики и биологи уверены, что игольчатый пучок поможет ускорить проверку новых лекарств от нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или боковой амиотрофический склероз. В будущем команда планирует применить технологию к другим биологическим объектам — например, к работе нейронов — и сделать ее коммерчески доступной. Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Methods.