Un láser caótico se convierte en herramienta avanzada para imágenes cerebrales

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) realizaron un descubrimiento innovador en la física óptica que podría revolucionar la forma en que se imagen el tejido vivo. Este hallazgo se basa en la capacidad de la luz láser caótica para reorganizarse espontáneamente en un haz altamente enfocado, conocido como "pencil beam" o haz de lápiz.

Utilizando este nuevo tipo de haz, el equipo logró obtener imágenes en 3D de la barrera hematoencefálica a una velocidad 25 veces mayor que los métodos convencionales, manteniendo una calidad de imagen comparable. Además, esta técnica permite observar cómo las células absorben medicamentos en tiempo real, lo que podría ser crucial para evaluar la efectividad de tratamientos para enfermedades como el Alzheimer o la esclerosis lateral amiotrófica (ALS).

La investigadora Sixian You, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT, destacó: "La creencia común en este campo es que al aumentar la potencia de un láser de este tipo, la luz se volverá caótica. Pero demostramos que este no es el caso". You, junto con el autor principal Honghao Cao y otros colaboradores, publicaron sus hallazgos en la revista Nature Methods.

El descubrimiento se originó a partir de una observación inesperada. El equipo había construido un dispositivo llamado fiber shaper, que permite controlar con precisión la luz láser a través de una fibra óptica multimodal capaz de soportar altos niveles de potencia. Al aumentar gradualmente la potencia del láser, en lugar de observar un aumento en la dispersión de la luz, el haz se concentró en un solo y afilado rayo.

"El desorden es intrínseco a estas fibras. La ingeniería óptica que normalmente se necesita para superar ese desorden es un desafío. Pero con esta autoorganización, se puede obtener un haz de lápiz estable y ultrarrápido sin necesidad de componentes personalizados para dar forma al haz", explicó You.

Para reproducir este efecto, el equipo identificó dos condiciones clave. Primero, el láser debe ingresar a la fibra en un ángulo perfectamente alineado de cero grados. Segundo, la potencia debe aumentarse hasta que la luz interactúe directamente con el material de vidrio de la fibra. Esto crea un equilibrio que transforma el haz de entrada en un haz de lápiz autoorganizado.

Las pruebas mostraron que este haz es tanto estable como altamente detallado en comparación con otros. Muchos haces convencionales producen halos borrosos que reducen la claridad de la imagen, mientras que este haz se mantuvo limpio y enfocado.

El equipo aplicó la técnica para obtener imágenes de la barrera hematoencefálica, una capa densa de células que protege al cerebro de sustancias nocivas pero también bloquea muchos medicamentos. Con el nuevo enfoque, generaron imágenes 3D rápidas y de alta precisión, al mismo tiempo que rastrearon cómo las células absorben proteínas en tiempo real.

La industria farmacéutica mostró un gran interés en utilizar modelos humanos para evaluar medicamentos que crucen efectivamente la barrera, ya que los modelos animales a menudo no predicen con precisión lo que ocurre en humanos. Este nuevo método no requiere que las células tengan una etiqueta fluorescente, lo que representa un cambio significativo. Por primera vez, se puede visualizar la entrada temporal de medicamentos en el cerebro y la tasa a la que tipos específicos de células internalizan el fármaco.

Los investigadores planean extender este método a otras aplicaciones, incluyendo la imagen de neuronas, y explorar formas de llevar esta tecnología a un uso práctico. Este trabajo fue financiado en parte por fondos de inicio del MIT, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Fundación de la Comunidad de Silicon Valley, y otros organismos.

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