کشف MIT: پرتو لیزر نامنظم خودبه‌خود متمرکز می‌شود؛ انقلابی در تصویربرداری زیستی

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) به کشفی انقلابی در فیزیک نور دست یافته‌اند که می‌تواند رویکرد ما به تصویربرداری زیستی و مطالعه ورود دارو‌ها به مغز را دگرگون سازد. این تیم نشان داده است که یک پرتو لیزر که در حالت عادی نامنظم و پراکنده است، تحت شرایطی خاص، می‌تواند به شکلی خودبه‌خودی به پرتویی فوق‌العاده باریک، پایدار و متمرکز تبدیل شود. این پدیده، با چنین سطح کنترل و پایداری، پیش از این هرگز پیش‌بینی نشده بود و افق‌های جدیدی را در علم می‌گشاید.

تبدیل آشوب نور به پرتوی مدادی شکل

در فیبر‌های نوری چندحالته، افزایش توان لیزر معمولاً به آشفتگی و پراکندگی بیشتر نور منجر می‌شود. اما در آزمایش‌های اخیر MIT، زمانی که توان لیزر به یک حد بحرانی نزدیک شد، به جای افزایش آشفتگی، نور به شکلی کاملاً غیرمنتظره سازمان‌دهی شد و یک پرتو بسیار باریک و دقیق، شبیه به یک مداد نور، تشکیل داد.

پژوهشگران توضیح می‌دهند که این پدیده تنها زمانی رخ می‌دهد که دو شرط اساسی به طور همزمان محقق شوند:

• زاویه ورود صفر: نور باید با زاویه‌ای کاملاً صفر و به صورت هم‌راستا وارد فیبر شود.
• توان لیزر بحرانی: توان لیزر باید به سطحی برسد که نور به طور مستقیم با ساختار شیشه‌ای فیبر وارد برهم‌کنش غیرخطی شود.

در این وضعیت بحرانی، یک تعادل ظریف بین بی‌نظمی ذاتی فیبر و اثرات غیرخطی نور برقرار می‌شود که نتیجه آن شکل‌گیری یک پرتو بسیار پایدار و متمرکز است.

تصویربرداری سریع و سه‌بعدی از سد خونی–مغزی

این فناوری نوآورانه بلافاصله در حوزه زیست‌پزشکی مورد آزمایش قرار گرفت، به ویژه برای تصویربرداری از سد خونی–مغزی. این ساختار حیاتی، از ورود بسیاری از مواد مضر به مغز جلوگیری می‌کند، اما در عین حال، عبور دارو‌ها را نیز به شدت محدود می‌سازد.

روش‌های سنتی تصویربرداری از این ناحیه معمولاً شامل برش‌های دوبعدی و مرحله‌به‌مرحله است که فرآیندی زمان‌بر محسوب می‌شود. اما با روش جدید، پژوهشگران توانستند تصاویر سه‌بعدی با وضوح بالا را حدود ۲۵ برابر سریع‌تر از روش‌های استاندارد ثبت کنند.

علاوه بر این، این فناوری امکان مشاهده زنده و لحظه‌ای ورود دارو‌ها به سلول‌ها را فراهم می‌کند. این قابلیت در ارزیابی دارو‌های مرتبط با بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و ALS اهمیت فوق‌العاده‌ای دارد، زیرا به طور دقیق مشخص می‌کند که آیا دارو واقعاً به بافت مغز می‌رسد یا خیر.

مزیت عدم نیاز به نشانگر‌های فلورسنت

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این روش، عدم نیاز به برچسب‌گذاری فلورسنت روی سلول‌ها یا مولکول‌ها است که در بسیاری از تکنیک‌های تصویربرداری زیستی رایج است. این مزیت باعث می‌شود فرآیند مشاهده طبیعی‌تر و نزدیک‌تر به شرایط واقعی بدن انسان باشد.

راجر کام، از پژوهشگران موسسه MIT و نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد که این فناوری می‌تواند برای صنعت داروسازی بسیار ارزشمند باشد؛ زیرا مدل‌های انسانی دقیق‌تری برای بررسی عبور دارو از سد خونی–مغزی فراهم می‌کند، موضوعی که در مدل‌های حیوانی همیشه قابل پیش‌بینی نیست.

عبور از محدودیت‌های قدیمی تصویربرداری نوری

پژوهشگران تأکید می‌کنند که این روش یک محدودیت بنیادی در تصویربرداری نوری را نیز برطرف می‌کند: تعادل میان وضوح تصویر و عمق میدان دید. در روش جدید، پرتو باریک و پایدار این امکان را فراهم می‌آورد که همزمان هم وضوح بالا و هم عمق تصویربرداری بیشتری داشته باشیم. نتیجه این ویژگی، تولید تصاویر سه‌بعدی با کیفیت بالاتر و سرعت بسیار بیشتر است.

تیم MIT اعلام کرده است که در ادامه قصد دارد فیزیک دقیق این پدیده خودسازمان‌دهی نور را بیشتر بررسی کند و کاربرد‌های آن را گسترش دهد. از جمله اهداف آتی، تصویربرداری از نورون‌های مغزی و توسعه فناوری‌های تجاری در حوزه پزشکی است.

این پژوهش در مجله علمی معتبر Nature Methods منتشر شده و می‌تواند آغازگر نسل جدیدی از فناوری‌های تصویربرداری زیستی باشد که در آن نور، به جای ابزار پیچیده اپتیکی، به صورت خودکار رفتار خود را تنظیم می‌کند.