Чтобы лучше понять связь между микрокавитацией и черепно-мозговой травмой, исследователи из Университета Брауна разработали новую систему трехмерной визуализации, которая позволяет снимать один миллион кадров в секунду с помощью одной камеры на одном микроскопе и, в конечном итоге, исследовать повреждения. к нейронам в лаборатории. Это позволит им наблюдать, происходят ли явления кавитации в тканях, окружающих нейроны, и, если да, это станет отправной точкой для определения механизмов повреждения как в образцах тканей человека, так и животных.«Мы до сих пор не знаем, как на самом деле выглядит клеточное или тканевое повреждение, вызванное первичным взрывом или ЧМТ. Мы также не знаем, связано ли это с кавитацией или нет.
Это частично потому, что мы не знаем, что — сказал Кристиан Франк, доцент инженерной школы Университета Брауна.Чтобы решить эту проблему, Франк и его коллеги пытаются понять, как кавитация может повредить нейроны, используя систему трехмерного изображения в сочетании с дифракционной решеткой для изучения их морфологии после экспонирования. Они представят свои недавние открытия на 68-м заседании Отделения гидродинамики (DFD) Американского физического общества (APS), которое состоится 22-24 ноября в Бостоне, штат Массачусетс.
Современные методы корреляции трехмерных изображений обычно включают создание стереопроекций объектов — функцию геометрического картирования, которая использовалась для создания первых в мире карт звездного неба путем проецирования сферы на плоскость — путем захвата изображений двумя или более камерами. Однако, по словам Франка, этот метод не подходит для наблюдений, проводимых через микроскоп, поскольку использование нескольких камер приводит к потере пространственного разрешения. Его лаборатория специализируется на разработке экспериментальных методов для определения движения материалов в трех измерениях.
Чтобы запечатлеть трехмерное движение с помощью одного объектива, исследователи поместили дифракционную решетку перед камерой для визуализации на микроскопе. Затем они использовали инфракрасный лазер с наносекундными импульсами для создания одиночных кавитационных пузырьков в модельной нейронной сети, состоящей из коллагена и биомиметических гидрогелей, встроенных в нейроны, таким образом имитируя действие нейронной сети, подвергшейся отрицательному скачку давления.Когда изображения деформируемого материала встречаются с дифракционной решеткой, они дифрагируют на первую отрицательную, первую положительную и нулевую моды. Это эффективно создает две перспективы объекта — как если бы у вас было две камеры — без ущерба для пространственного разрешения.
«Основная задача для нас заключалась в том, чтобы снова объединить несколько перспективных решеток в одно и то же физическое место на камере», — сказал Франк.Для этого исследователи спектрально присвоили разные цвета порядкам -1 и +1, которые камера может обнаружить. Поскольку все порядки дифракции изначально освещаются белым светом, Франк и его коллеги поместили красный фильтр перед тем местом, где проходил свет порядка -1, и синий фильтр перед тем, где проходил свет +1.
Затем камера регистрирует их как отдельные цвета RGB, что позволяет исследователям легко их рекомбинировать — таким образом воссоздавая трехмерное поле движения с частотой кадров, достаточно высокой для наблюдения кавитации.«Это что-то действительно захватывающее для нас, и, насколько нам известно, этого никогда не было раньше», — сказал Франк.В настоящее время лаборатория Франка может определять поля движения вплоть до масштаба 10–100 нанометров.
Дальнейшая работа Франка и его коллег включает усовершенствование их методов наблюдения за деформациями материалов на уровне одного нанометра с использованием методов микроскопии сверхвысокого разрешения в трехмерном пространстве.
