Spejlbillede:Forskere laver billeder i højere kvalitet af bioprøver

Forskere fra National Institutes of Health og University of Chicago forbedrede hastigheden, løsning, og lyseffektivitet af et optisk mikroskop ved at skifte fra et konventionelt glasdæksglas til et reflekterende, spejlet dækglas og anvende nye computeralgoritmer til at behandle de resulterende data.

Hari Shroff, Ph.D., chef for National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering's labsektion om High Resolution Optical Imaging (HROI), og hans team har brugt de sidste par år på at udvikle optiske mikroskoper, der producerer billeder i høj opløsning med meget høj hastighed. Efter hans laboratorium har udviklet disse nye mikroskoper, de frigiver planerne og softwaren gratis, så enhver forsker kan gentage de fremskridt, der er gjort på NIH.

Dette seneste mikroskop bygger på tidligere forbedringer, som Shroffs laboratorium havde foretaget med selektiv flybelysningsmikroskopi (SPIM). Udviklingen er beskrevet i et papir udgivet 13. november, 2017, i den forudgående online -udgave af Naturkommunikation . SPIM-systemer adskiller sig fra traditionelle mikroskoper, fordi de bruger lysark til at excitere prøven, kun udsætte det afbildede prøveplan for lys. Fordi kun den del af prøven, der skal afbildes (frem for hele prøven) udsættes for lys, der er mindre samlet skade på prøven. Dermed, SPIM -systemer er blidere end traditionelle mikroskoper.

I 2013, Shroff og hans kollega i HROI -laboratoriet, Yicong Wu, udviklet diSPIM - et SPIM -system udstyret med to objektiver, så det opnår to visninger af prøven i stedet for kun en. Ligesom at bruge to øjne giver meget bedre dybde og tredimensionel opfattelse end kun at bruge et øje, dual view-mikroskopet muliggør 3D-billeddannelse med meget større klarhed og opløsning end traditionel single-view-billeddannelse. I 2016 de tilføjede en tredje linse, viser, at denne ekstra visning yderligere kan forbedre lyseffektiviteten og opløsningen i 3-D-billeddannelse.

"Når vi havde integreret tre linser, vi fandt, at det blev stadig sværere at tilføje flere, "sagde Shroff." Ikke fordi vi nåede grænsen for vores beregningsevner, men fordi vi løb tør for fysisk rum. "

Linserne, der bruges til at afprøve prøverne, er omfangsrige og skal være tæt på prøverne for tydeligt at kunne se den detaljerede subcellulære struktur i en enkelt celle eller den neuronale udvikling i et ormembryo. Pladsen omkring prøven bliver mere og mere begrænset for hver ekstra linse.

Wu og Shroffs løsning var konceptuelt enkel og relativt billig. I stedet for at forsøge at finde måder at fylde flere linser på, de bruger spejlede dækglas.

"Det er meget som at se i et spejl, "Shroff forklaret." Hvis du ser på en scene i et spejl, du kan se perspektiver, der ellers er skjult. Vi brugte det samme princip med mikroskopet. Vi kan se prøven konventionelt ved hjælp af de sædvanlige visninger aktiveret af linserne selv, mens de samtidig optager de reflekterede billeder af prøven fra spejlet."

En komplikation er, at både de konventionelle og reflekterede visninger indeholder en uønsket baggrund genereret af lyskilden. For at håndtere dette problem, Wu og Shroff samarbejdede tæt med Patrick La Rivieres gruppe ved University of Chicago. La Riviere er ekspert i databehandling, og hjalp teamet med at skabe computerbehandlingssoftware, der kan identificere og fjerne den uønskede baggrund og tydeliggøre billedet.

Brug af spejlede dækglas i forbindelse med computersoftwaren, holdet var i stand til at forbedre hastigheden to gange og næsten fordoble opløsningen i sammenligning med konventionelle diSPIM-systemer uden at ændre mikroskopets hardware. En yderligere fordel ved teknikken er, at med spejlede dækglas, mikroskopet er i stand til at opsamle mere lys fra prøven uden at øge den samlede lyseksponering for prøven. Som resultat, det øger effektiviteten med to til tre gange sammenlignet med diSPIM. Forskerne håber, at denne teknik i fremtiden kan tilpasses andre former for mikroskopi.