В пределах физических ограничений световода лазерный луч способен к самоорганизации, формируя интенсивное и четко сфокусированное образование, напоминающее иглу. Характеристики этого излучения обеспечивают возможность наблюдать за клеточными реакциями в режиме реального времени, без применения каких-либо дополнительных приспособлений.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (США) обнаружила этот необычный лазерный пучок практически непреднамеренно. Они проводили эксперименты с многомодовым оптическим волокном, где свет распространяется по множеству различных маршрутов. Данная конструкция способна выдерживать значительную интенсивность излучения без риска повреждения. Целью работы было определение порога мощности, при превышении которого начинается деградация материала.

Обычно, увеличение мощности лазера приводит к тому, что световой поток становится более хаотичным и расходящимся, становится после прохождения через волокно. Это связано с неидеальностью внутренней структуры оптоволокна.

Но при повышении интенсивности до уровня, близкого к точке воспламенения волокна, наблюдалось неожиданное поведение света. Излучение спонтанно упорядочилось и сжалось в узкий, устойчивый, кристально чистый и сконцентрированный луч. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Nature Methods.

Появление самоорганизованного конусообразного пучка света обусловлено двумя строгими требованиями: лазерный луч должен падать на оптическое волокно под прямым углом, а интенсивность должна быть достаточно высокой для начала взаимодействия светового потока со стеклянной структурой волокна.

«При данной величине энергии эффект искажения способен компенсировать внутреннюю нестабильность, формируя равновесие и трансформирующий входящий световой поток в упорядоченный пучок», – заявил один из авторов научной работы Хунхао Цао ( Honghao Cao).

С помощью этой технологии ученые провели визуализацию процессов, происходящих в человеческом гематоэнцефалическом барьере (ГЭБ). Эта структура представляет собой плотную сеть клеток, выступающую в роли преграды между кровеносным руслом и головным мозгом. Она предохраняет мозг от вредных веществ, но препятствует доставке многих лекарственных препаратов. Поэтому для исследователей и врачей критически важно понимать механизмы перемещения медикаментов внутри сосудистой системы ГЭБ и достигают ли они своих целей в мозге.

Традиционные подходы к изучению подобных явлений предполагают последовательное «запечатление» происходящего на границе. Этот метод отличается длительностью и нередко не позволяет отследить биологические процессы с необходимой точностью в пространстве и времени. Применение упорядоченного пучка предоставило ученым возможность наблюдать, как клетки поглощаютбелков в режиме реального времени, причем без использования флуоресцентных маркеров.

«Отсутствие необходимости флуоресцентной метки клеток при использовании этой новой методики является значительным прорывом. Впервые появилась возможность визуализировать изменение концентрации препаратов в мозге во времени и даже установить скорость поглощения лекарственных веществ различными типами клеток», – отметил профессор биологической и механической инженерии Роджер Камм ( Roger Kamm).

Специалисты получили трехмерные изображения клеточной структуры с более высоким разрешением, чем при использовании альтернативных технологий, и создали эти визуализации приблизительно в 25 раз быстрее. Благодаря новому пучку ученые больше не вынуждены выбирать между четкостью и глубиной резкости изображения; они могут получать данные о событиях, происходящих внутри биологической ткани за один проход.

Специалисты в области физики и биологии утверждают, что структура из микроскопических игл позволит им ускорить процесс анализа качества новых препаратов для лечения нейродегенеративных расстройств (включая болезнь Альцгеймера или боковой амиотрофии) с более высокой детализацией. В перспективе ученые намереваются использовать данный метод в изучении других биологических систем и явлений, например, при исследовании функционирования нервных клеток, а также обеспечить возможность широкого распространения этой технологии.