Ghost-billedbehandling fremskynder mikroskopi i superopløsning

Forskere har brugt avancerede billeddannelsesmetoder til at opnå superopløselig mikroskopi ved hidtil usete hastigheder. Den nye metode skulle gøre det muligt at fange detaljerne i processer, der forekommer i levende celler med hastigheder, der ikke tidligere var mulige.

Superopløsningsteknikker, kaldes ofte nanoskopi, opnå nano-skala opløsning ved at overvinde diffraktionsgrænsen for lys. Selvom nanoskopi kan fange billeder af individuelle molekyler inde i celler, det er svært at bruge med levende celler, fordi hundredvis eller tusinder af billedrammer er nødvendige for at rekonstruere et billede - en proces der er for langsom til at fange hurtigt skiftende dynamik.

I Optica , The Optical Society's (OSA) journal for high impact research, forskere fra det kinesiske videnskabsakademi beskriver, hvordan de brugte den ukonventionelle billeddannelsesmetode kendt som spøgelsesbilleddannelse til at øge billedhastigheden ved nanoskopi. Kombinationen producerer nanometeropløsning ved hjælp af størrelsesordener færre billedrammer end traditionelle nanoskopiteknikker.

"Vores billeddannelsesmetode kan potentielt undersøge dynamik, der forekommer på millisekunders tidsskalaer i subcellulære strukturer med rumlig opløsning på titalls nanometer-den rumlige og tidsmæssige opløsning, hvor biologiske processer finder sted, "sagde Zhongyang Wang, medleder af forskerholdet.

Kombination af teknikker til hurtigere billeddannelse

Den nye tilgang er baseret på stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi (STORM), som var en af ​​tre superopløsningsteknikker, der skulle anerkendes med nobelpriser i 2014. STORM, som også undertiden kaldes fotoaktiveret lokaliseringsmikroskopi (PALM), er en bredfeltsteknik, der bruger fluorescerende etiketter, der skifter mellem lysemitterende (tændt) og mørkt (slukket) tilstand. Få hundrede eller tusinder af snapshots, hver fanger delmængden af ​​fluorescerende etiketter, der er tændt på et givet tidspunkt, gør det muligt at bestemme placeringen af ​​hvert molekyle og bruge det til at rekonstruere et fluorescensbillede.

Forskerne vendte sig til spøgelsesbilleddannelse for at fremskynde STORM -billeddannelsesprocessen. Spøgelsesbilleddannelse danner et billede ved at korrelere et lysmønster, der interagerer med objektet med et referencemønster, der ikke gør det. Individuelt, lysmønstrene bærer ikke nogen meningsfuld information om objektet. Forskerne brugte også komprimerende billeddannelse, en beregningsmæssig tilgang, der muliggør billedrekonstruktion med færre eksponeringer, fordi den bruger en algoritme til at udfylde de manglende oplysninger.

"Mens STORM kræver en lav densitet af fluorescerende etiketter og mange billedrammer, vores tilgang kan skabe et billede i høj opløsning ved hjælp af meget få rammer og en høj densitet af fluoroforer, "sagde medleder for forskerteamet Shensheng Han." Det behøver heller ikke nogen kompleks belysning, som hjælper med at reducere fotoblegning og fototoksicitet, der kan skade dynamiske biologiske processer og levende celler. "

Forbedring af billedbehandlingseffektivitet

For at implementere den nye teknik, forskerne brugte en optisk komponent kendt som en tilfældig fasemodulator til at omdanne fluorescens fra prøven til et tilfældigt flekkemønster. Kodning af fluorescensen på denne måde tillod hver pixel af et meget hurtigt CMOS -kamera at opsamle lysintensitet fra hele objektet i en enkelt ramme. For at danne billedet via spøgelsesbilleddannelse og komprimerende billeddannelse, denne lysintensitet blev korreleret med et referencelysemønster i et enkelt trin. Resultatet var mere effektiv billedoptagelse og en reduktion i antallet af rammer, der kræves for at danne et billede i høj opløsning.

Forskerne testede teknikken ved at bruge den til at forestille en ring på 60 nanometer. Den nye nanoskopimetode kunne løse ringen ved hjælp af kun 10 billedrammer, mens traditionelle STORM -tilgange havde brug for op til 4000 billeder for at opnå det samme resultat. Den nye tilgang løste også en lineal på 40 nanometer med 100 billedrammer.

"Vi håber, at denne metode kan anvendes på en række fluorescerende prøver, herunder dem, der udviser svagere fluorescens end dem, der anvendes i denne forskning, "sagde Wang. Forskerne ønsker også at gøre teknikken hurtigere til at opnå billeddannelse med videofrekvens med et stort synsfelt og planlægger at bruge den til at erhverve 3-D og farvebilleder.