„Laserowy ołówek” sam się organizuje i może zmienić badania nad chorobami mózgu

29 kwietnia 2026, 10:49 | Technologia

Naukowcy z MIT odkryli zaskakujące zjawisko optyczne - chaotyczna wiązka laserowa może spontanicznie przekształcić się w stabilną wiązkę ołówkową (pencil beam). Odkrycie, opisane właśnie na łamach Nature Methods, może otworzyć zupełnie nowe możliwości obrazowania tkanek biologicznych, w tym bariery krew-mózg.

Wszystko zaczęło się od eksperymentu, w ramach którego doktorant Honghao Cao zwiększał moc lasera, z którego światło przesyłał przez światłowód wielomodowy. Chciał sprawdzić, ile światłowód wytrzyma. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, z powodu nieuniknionych niedoskonałości włókna, im większa moc, tym bardziej chaotyczna i rozproszona staje się wiązka.

Zamiast tego wydarzyło się coś nieoczekiwanego. Tuż przed progiem uszkodzenia włókna, światło nagle samo z siebie skupiło się w wiązkę ołówkową. Powszechne przekonanie w tej dziedzinie głosi, że jeśli zwiększasz moc w tego rodzaju laserze, światło nieuchronnie staje się chaotyczne. Udowodniliśmy, że tak nie jest – mówi główna autorka badań, Sixian You adiunkt na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Nauk Komputerowych w MIT.

Aby odtworzyć to zjawisko wystarczy spełnić dwa warunki. Po pierwsze, laser musi wchodzić do włókna idealnie pod kątem zerowym. Po drugie, moc musi zostać zwiększona do poziomu, przy którym światło zaczyna oddziaływać ze szkłem włókna. Dotychczas nikt nie zauważył opisywanego zjawiska prawdopodobnie dlatego, że standardowo ustawienie lasera pod kątem zerowym nie jest potrzebne, a eksperymenty prowadzone są przy niższej mocy, by nie uszkodzić włókna.

Zorganizowana wiązka ołówkowa to stan, w którym energia laserowa skupia się centralnie w przestrzeni i czasie, tworząc profil przestrzenny zbliżony do wiązki Bessela, ale pozbawiony charakterystycznych bocznych elementów, które w przypadku wiązki Bessela pogarszają jakość obrazowania. Wiązka ta wykazuje przy tym dziesięciokrotnie większy zasięg niż konwencjonalne skupienie gaussowskie, co oznacza, że pozwala obrazować znacznie grubsze warstwy tkanki w jednym skanie.

Co istotne, wiązka jest zarazem wyjątkowo stabilna bez konieczności użycia dodatkowych urządzeń. Jak podkreślają badacze, urok tej metody polega na tym, że można ją zastosować w standardowym układzie optycznym i bez szczególnej wiedzy.

Praktyczne aspekty odkrycia ujawniły się podczas obrazowania modelu bariery krew-mózg. Naukowcy zbudowali z ludzkich komórek macierzystych model takiej bariery, w skład którego weszły komórki śródbłonka, perycyty i astrocyty. Stosując nową metodę, udało im się uchwycić trójwymiarowe obrazy 25 razy szybciej niż metodami standardowymi, przy zachowaniu porównywalnej rozdzielczości.

Teraz badacze planują lepiej zrozumieć zjawiska stojące za samoorganizacją wiązki, zastosować swoją metodę do obrazowania neuronów w mózgu oraz pracować nad komercjalizacją technologii. Jak stwierdziła Sixian You, ich celem jest „demokratyzacja" obrazowania trójwymiarowego wysokiej rozdzielczości – udostępnienie go każdemu laboratorium dysponującemu standardowym mikroskopem wielofotonowym.

laser wiązka ołówkowa obrazowanie medyczne