ИСТИНА

В рамках настоящего проекта предполагается разработать новые типы волоконно-оптических элементов и устройств, пригодных к использованию в качестве средств доставки излучения оптической накачки и локальных сенсоров для нейрофотоники. В частности, будет рассмотрен широкий класс линейных и нелинейно-оптических явлений, возникающих при взаимодействии лазерного излучения, доставляемого с помощью специальных типов оптических волокон, с биологическими тканям, а также разработаны методы регистрации оптического отклика с помощью световодов. В ходе выполнения проекта будут выполнены экспериментальные и теоретические исследования, направленные на решение следующих основных задач: (1) разработка техники оптического возбуждения и регистрации в волоконном формате процессов функциональной активности нейронных клеток и тканей головного мозга лабораторных животных в режиме in vitro и in vivo с использованием различных типов оптических волокон; (2) развитие нелинейно-оптических методов трехмерной микроскопии с высоким пространственным разрешением и высокой скоростью сканирования на основе генерации оптических гармоник, обеспечивающих визуализацию глубоких слоев биологических тканей, с использованием современных фемтосекундных лазерных систем ближнего ИК диапазона; (3) развитие новых источников суперконтинуума и сверхкоротких перестраиваемых лазерных импульсов на основе фотонно-кристаллических световодов для реализации техники многофотонного возбуждения флуоресценции нейронных клеток в волоконном формате, эта задача также включает определения уровня безопасного воздействия сверхкоротких лазерных импульсов на биологические ткани.

Показано, что полое ФК волокно с большой сердцевиной обеспечивает доставку в волоконном формате по заполненной воздухом сердцевине сверхкоротких лазерных импульсов В ближнем ИК диапазоне, для их дальнейшего применения в задачах нейрохирургии и нелинейно-оптической визуализации. Продемонстрировано, что при подходящей прекомпенсации дисперсии полое ФК волокно диаметром сердцевины 15 мкм в области аномальной дисперсии может сжимать импульсы с центральной длиной волны 1070 нм с начальных 510 фс до 110 на выходе из волокна, обеспечивая тем самым пиковую мощность порядка 5 МВт. Излучение на выходе из волокна было использовано для создания локального фотопоразрушения в тканях мозолистого тела головного мозга мыши, а также для генерации сигнала третьей гармоники от тканей головного мозга, который собирался оболочкой волокна и доставлялся в обратном направлении к системе регистрации. Реализован волоконно-оптический протокол доставки возбуждающего излучения и регистрации флуоресцентного отклика нейронов головного мозга, что в сочетании с генетически встроенными флуоресцентными маркерами, позволяет проводить измерения уровня экспрессии IEGs в живых животных при их свободном поведении во время и после разнообразных физиологических и фармакологических воздействиях. В ходе проекта была продемонстрирована эффективность данного подхода при in vivo исследовании геномного отклика различных областей мозга (гиппокамп, соматосенсорная и зрительная кора) трансгенных zif/268-eGFP мышей на разнообразные специфические воздействия, такие как световая депривация, введение судорожных агентов и электрокожная стимуляция. Было показано, что локальность волоконно-оптического зондирования сильнорассеивающих биотканей может быть существенно увеличена в режиме двухфотонного возбуждения. В этом режиме локальность, обеспеченная нелинейно-оптическим характером зондирования, сохраняется даже при существенном увеличении площади сбора излучения. Построенная численная модель, характеризующая распространение излучения накачки на выходе волоконного зонда и сбор флуоресцентного отклика в линейном и нелинейно-оптическом режимах возбуждения флуоресценции, хорошо согласуется с проведенными экспериментами