Ny, grundlæggende grænse for at se og tro på billeddannelse

Svar på store spørgsmål kræver i stigende grad adgang til de helt smås rige.

Mens forskere fortsætter med at skubbe grænserne for billeddannelse, en videnskabsmand ved Washington University i St. Louis har afsløret en grundlæggende barriere for nøjagtighed, når det kommer til måling af molekylers rotationsbevægelse.

Matthew Lew, professor i el- og systemteknik ved McKelvey School of Engineering, sammenligner konsekvensen af ​​denne barriere med noget, mange kender til.

"Når du ser på dit sidespejl i bilen, der er en ansvarsfraskrivelse:objekter er tættere på, end de ser ud, " sagde Lew, hvis forskning blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , flagskibsudgivelsen af ​​American Physical Society.

"Vi har fundet ud af, at objekter i mikroskopet er mindre begrænsede, end de ser ud til. Fluorescerende molekyler ser altid ud til at være mere begrænset i rotationsfrihed, end de faktisk er, " sagde Lew.

Denne uoverensstemmelse er et resultat af målestøj.

Dette er vigtigt, fordi molekyler ikke er glatte, runde bolde bevæger sig langs lige stier, støder ind i hinanden og holder sammen - de har en slags topografi. Dette er afgørende for kemiske og biologiske reaktioner:"Der skal være den rigtige matchning af lommer og bindemotiver, " sagde Lew. Puslespilsbrikkerne, det er, behov for at matche og forbinde, for at reaktioner kan opstå.

Ud over at bevæge sig i tre dimensioner, molekyler roterer også, som en bold, der ruller ned ad en ujævn overflade, slingrer de, vride, og spin i alle retninger. Forskere skal se både det lige, translationel bevægelse og spinding, rotationsbevægelse for at forstå, hvordan molekyler interagerer.

For at se noget, imidlertid, en billeddannende enhed skal fange lys, der udsendes fra det fluorescerende objekt. I tilfælde af disse små stykker stof, det kan betyde et relativt lille antal fotoner.

Den grænse, Lew har opdaget, handler om lys:Hvis objektet, der afbildes, er for svagt, den vil virke rotationsbegrænset og se ud som om den har mindre rotationsbevægelse, end den faktisk gør. Som en snurrende fan, et roterende molekyle skal se glat ud - som de slørede blade. Men hvis blæseren er svagt tændt, knivene vil ikke se helt glatte ud og vil i stedet se ud til at være "stammende". Derfor, de ser ud til at rotere mindre, end de faktisk er. (Den underliggende fysik af ventilatoranalogien er anderledes end billeddannende molekyler, imidlertid).

"Hvis et molekyle var fuldstændig frit til at rotere, det ville ligne en glat bold, Lew sagde. Bolden kan aldrig være glat, hvis der er støj oven på den. Den støj, den ruhed får det til at ligne bolden, der består af et molekyle, der ikke er helt frit til at rotere."

Den støj er et resultat af lys. Billeddannelse af noget så lille som et molekyle omhandler et lille antal fotoner. Ved at tage billeder af disse fotoner, en udsøgt lille mængde lys, falder inden for kvanteverdenens område. Sådan et fotografi kan aldrig være perfekt glat, da den består af et begrænset antal fotoner. At tage et billede med kun få fotoner giver et sløret eller støjende billede – som at tage et billede om natten.

At prøve at fange rotationsbevægelsen under den støj svarer til at blinke et stroboskoplys foran en blæser i bevægelse - det resulterende billede savner noget af bevægelsen, får det til at virke, som om molekylet er mere tilbageholdende, end det faktisk er:

Tit, videnskabsmænd vil tage et gennemsnit af flere billeder for at reducere effekten af ​​støj, men i dette tilfælde, Gennemsnit af støjende billeder giver ikke et nøjagtigt resultat. "Dette er et grundlæggende fysikproblem, " sagde Lew.

Hans forskning har udarbejdet den nedre grænse - den mørkeste et molekyle kan være - hvorefter det er fundamentalt umuligt at afgøre, om et objekt, der ser ud som om det er delvist fikseret på plads, virkelig er, eller hvis den faktisk roterer frit, men bliver forstyrret af støj.

Ud over, forskningen viste, at forskere skal vælge omhyggeligt mellem at bruge metoder, der måler 2-D rotation versus 3-D rotation, da disse teknologier faktisk opfatter den samme rotationsbevægelse forskelligt, fører muligvis til forskellige fortolkninger.

Uanset billedteknikken, imidlertid, usikkerheden forårsaget af støj forbliver.

Forskningen handler ikke udelukkende om usikkerhed. "Vi kan bruge simuleringer til at modellere disse grænser og finde ud af, hvad deres virkninger er i vores billeddannelse af enkelte molekyler, " sagde Lew, "og inkorporer denne viden i billedbehandlingsalgoritmer."

Grundlæggende selvom, matematikken siger, at på et bestemt tidspunkt, der er ingen måde at skelne mellem noget, der er fuldstændigt roterende, og noget, der er delvist begrænset.

"Men i det mindste, " sagde Lew, "Vi ved nu, hvor grænsen er."

Hvorfor billedforskning betyder noget

Billedforskning har betydning for kampen mod mange sygdomme. Ved amyloid sygdom, som Alzheimers, for eksempel, visse proteiner som amyloid beta og tau vil klumpe og forårsage sammenfiltringer i hjernen. Inden det sker, før der er nogen symptomer, individuelle kopier af disse proteiner bevæger sig rundt i cellen.

"Vi ved ikke, hvad de gør, " sagde Lew. "Nogle gange vil de antage en form for form, der får dem til at samle sig, " disse sammenlægninger kan signalere de tidligste stadier af sygdommen.

"Vi vil gerne forstå, hvad der får de individuelle proteiner til at ændre sig fra bare at floppe rundt, ikke forårsager nogen uheldige virkninger, ind i en konformation, der indvarsler det første stadium af sygdomsprogression."