ИСТИНА

Нелинейно-оптические методы в настоящее время являются важной составляющей в исследованиях нейрофизиологических и когнитивных функций, процессов формирования памяти, ранней диагностики различных патологий мозга. Развитие и широкое применение нелинейно-оптических методик связано с их эффективностью, высоким пространственным разрешением и малой инвазивностью. Оптическая микроскопия обеспечивает субклеточное разрешение, однако получение изображений возможно в основном для поверхностных тканей. В рамках проекта будет осуществлен широкий спектр исследований, связанные с развитием методик и инструментов нелинейно-оптической биовизуализации с использованием волоконно-оптических источников сверхкоротких импульсов в ближней инфракрасной области спектра. Управление нелинейными и дисперсионными свойствами световодов позволит формировать импульсы, центральная длина волны и длительность которых наилучшим образом подходят для проведения мультимодальной нелинейно-оптической микроскопии сложных биологических объектов, таких как мозг. Развиваемые методики и инструменты будут применяться для исследований работы мозга, его когнитивных функций, процессов формирования памяти, а также диагностики его патологий, в частности болезни Альцгеймера. Усилия нашей группы будут связаны с развитием нелинейно-оптических флуоресцентных и безмаркерных методов визуализации тканей мозга. Поскольку измерения будут проводиться с помощью различных методик нелинейно оптической микроскопии (двухтонной флуоресценции, генерации оптических гармоник, когерентного света) в наших исследованиях мы будем уделять большое внимание комплиментарности получаемых результатов, позволяющих извлекать взаимодополняющую информацию о свойствах исследуемых объектов. Для реализации этих задач необходимы источники сверхкоротких импульсов. В ходе выполнения проекта наряду с имеющимися Ti:Sapphire, Cr:forsterite и иттербиевыми источниками будут развиты принципиально новые волоконные источники перестраиваемых импульсов на основе фотонно-кристаллических световодов. Работа в этом направлении будет включать в себя разработку волоконных устройств для сдвига центральной длины волны лазерных импульсов, основанных на явлении солитонного самосдвига частоты в фотонно-кристаллических волокон с полой и увеличенной сердцевиной генерации. Также будет решена задача генерации мощного излучения суперконтинуума с его последующим временным сжатием для получения предельно коротких импульсов порядка нескольких циклов поля. Таким образом, задачи проекта по созданию лазерной платформы для проведения многофотонной микроскопии и исследование физических сценариев формирования нелинейного сигнала микроскопии взаимно дополняют друг друга для регистрации сложной функциональной активности клеток, связанных с когнитивными функциями и процессами формирования памяти, а также диагностики различных патологий на ранних стадиях их формирования.

Nonlinear optical methods are now an important component in the study of neurophysiological and cognitive functions, memory formation processes, early diagnosis of various pathologies of the brain. The development and wide application of nonlinear optical methods is associated with their effectiveness, high spatial resolution and low invasiveness. Optical microscopy provides subcellular resolution, however, imaging is possible mainly for surface tissues. The project will carry out a wide range of studies related to the development of techniques and tools for nonlinear optical biovisualization using fiber-optic sources of ultrashort pulses in the near infrared region of the spectrum. Control of the nonlinear and dispersion properties of light guides will allow the generation of pulses whose central wavelength and duration are best suited for conducting multimodal nonlinear optical microscopy of complex biological objects such as the brain. Developed methods and tools will be used to study the work of the brain, its cognitive functions, processes of memory formation, as well as diagnosis of its pathologies, in particular Alzheimer's disease. The efforts of our group will be associated with the development of nonlinear-optical fluorescent and non-marking methods of visualization of brain tissues. Since the measurements will be carried out using various techniques of nonlinear optical microscopy (two-ton fluorescence, optical harmonic generation, coherent light), in our studies we will pay great attention to the complementarity of the results obtained, which allow us to extract complementary information about the properties of the objects under study. To implement these tasks, sources of ultrashort pulses are needed. In the course of the project, along with the existing Ti: Sapphire, Cr: forsterite and ytterbium sources, fundamentally new fiber sources of tunable pulses based on photonic crystal fibers will be developed. Work in this direction will include the development of fiber devices for shifting the central wavelength of laser pulses based on the phenomenon of soliton self-shift of frequency in photonic crystal fibers with a hollow and increased core generation. The problem of generating a powerful supercontinuum radiation with its subsequent time compression will also be solved to obtain extremely short pulses of the order of several field cycles. Thus, the tasks of the project to create a laser platform for conducting multi-photon microscopy and the study of physical scenarios for the formation of a nonlinear signal of microscopy are mutually complementary for recording the complex functional activity of cells associated with cognitive functions and memory formation processes, as well as diagnosing various pathologies in the early stages of their formation.

Основное направление проекта связано с развитием методик нелинейно-оптической визуализации биотканей, в частности мозга мыши, с субклеточным пространственным разрешением. В ходе выполнения проекта мы ожидаем решить ряд задач, связанные с разработкой новых компактных лазерных источников многофотонной микроскопии, а также выявить физические сценарии генерации нелинейного оптического сигнала из толщи биологической ткани. Выделим основные ожидаемые результаты. - На базе фемтосекундных лазерных источников на кристаллах, допированных ионами титана, иттербия и хрома, излучение которых перекрывает весь ближний инфракрасный диапазон от 740 до 1290 нм, будет создан лазерный комплекс для проведения мультимодальной многофотонной микроскопии биотканей. Будут реализованы техники флуоресцентной микроскопии при двух- и трехфотонном возбуждении красителей и биомаркеров, методики генерации оптических гармоник локальными неоднородностями, интерфейсами и биополимерными кристаллами в тканях, подходы химически-селективного биоимаджинга объектов при когерентного комбинационном рассеянии света. Создание такой многопрофильной системы лазерной микроскопии позволит извлекать богатую информацию о химическом составе, нано- и микроскопической морфологии объектов, а также происходящих в реальном времени биологических процессах в тканях. - Исследование фундаментальных процессов генерации нелинейного сигнала составными частями биологической ткани позволит связать величину записываемого отклика с развитием конкретной болезни, улучшит возможности ранней диагностики заболеваний ткани на стадии единичных клеток. Особый интерес для развития слабо инвазивной диагностики представляют методики безмаркерной биовизуализации объектов на основе генерации второй и третьей оптических гармоник и когерентного комбинационного рассеяния лазерного излучения. - Создание эффективной лазерной системы для мультимодальной многофотонной микроскопии требует проведения комплексного исследования путей формирования лазерного импульса оптимального для каждой из нелинейных методик. Задача подготовки специального лазерного импульса может быть эффективно решена в процессе нелинейно-оптического преобразования излучения в фотонно-кристаллических (ФК) световодах с полой и твердотельной сердцевиной, обладающие большой площадью моды. Управление нелинейными и дисперсионными свойствами световодов позволит формировать импульсы, центральная длина волны и длительность которых наилучшим образом подходят для проведения мультимодальной нелинейно-оптической микроскопии биологических объектов. Интеграция волоконно-оптического источника с системой для многофотонной микроскопии позволит поднять надежность и компактность всей оптической системы. - Исследование ограничений, связанные с визуализацией глубоких слоев биологических тканей методами многофотонной микроскопии, которые могут быть вызваны повышенным нагревом и фотоповреждением ткани. Для этих целей будет проведена разработка методики измерения распределения температуры с высоким пространственным разрешением на основе микро- и наноалмазов с дефектами азот-вакансия при проведении нелинейной микроскопии. Относительная свобода в выборе параметров излучения позволит продвинуть существующие пределы глубины визуализации. Созданные методы и инструменты будут использованы в практических задачах биотехнологии, нейрофизиологии и медицины, регистрации сложной функциональной активности клеток с высокой скоростью и субклеточным пространственным разрешением, связанных с когнитивными функциями и процессами формирования памяти, а также диагностики различных патологий на ранних стадиях их формирования. Развитие этих инструментов и методик в волоконном формате принципиально позволяет говорить об удобстве, технологичности и экономической значимости нашего подхода.

Научная группа обладает современными фемтосекундными лазерными системами на основе кристаллов титан-сапфира, хром-форстерита и иттербия, что позволяет подойти к задаче визуализации глубоких слоев мозга используя излучения на различных длинах волн. Комплексная лазерная система на основе титана сапфира состоит из задающего генератора, генерирующего цуг фемтосекундных импульсов длительностью менее 90 фс с частотой 76 МГц, и энергией в импульсе до 40 нДж и многопроходного усилителя. На выходе системы имеется последовательность 50 фс импульсов с энергией 1 мДж с частотой повторения 1 кГц. Система оснащена оптическим параметрическим усилителем (ОПУ), перестраиваемым в диапазоне 1050 - 2500 нм. Генерация разностной частоты между волнами накачки и холостой волной из ОПУ дает возможность оперировать импульсами длительностью 100 – 300 фс с энергией до 6 мкДж на длинах волн от 2500 нм до 11 000 нм. Также титан-сапфировая лазерная система оснащена параметрическим генератором света (ПГС) с синхронной накачкой не усиленными импульсами на 800 нм. Высокая средняя мощность излучения из ПГС 450 мВт при частоте повторения 76 МГц и широкий диапазон перестройки излучения 1000 – 1800 нм предоставляет удобный инструмент для выполнения фундаментальных задач многофотонной микроскопии, сформулированные в проекте.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования по генерации оптических гармоник высокого порядка из полупроводниковых поли- и монокристаллов, полуметаллов, структур с пониженной размерностью: слои графены и нанотрубки