Single-shot 3D bredfelts fluorescensbilleddannelse med et beregningsmæssigt miniaturemesoskop

Online-funktionen forsidebillede på Videnskabens fremskridt denne uge viser fluorescensbilleddannelse med et computational miniature mesoscope (CM ² ). Teknikken til fluorescensbilleddannelse er et væsentligt værktøj for biologer og neurovidenskabsmænd; imidlertid, konventionelle mikroskoper og miniaturiserede mikroskoper (miniskoper) er begrænset af et produkt med begrænset plads-båndbredde - en måling af informationskapaciteten i et optisk system, lav dybdeskarphed og manglende evne til at opløse tredimensionelle (3-D) distribuerede emittere. For at overvinde eksisterende grænser, Yujia Xue og et team af forskere inden for el- og computerteknik, biologi, neurofotonik og biomedicinsk teknik ved Boston University, OS., udviklet et let og kompakt mesoskop kendt som beregningsminiaturemesoskopet (CM ² ).

Den nye platform integrerede en mikrolinse til billeddannelse og et LED-array til excitation i samme opsætning. Enheden udførte single-shot 3D-billeddannelse og muliggjorde en 10 gange synsfeltforstærkning og en 100 gange dybdeskarphedsforbedring, sammenlignet med eksisterende miniskoper. Xue et al. testede enheden med fluorescerende perler og fibre sammen med fantomeksperimenter for at måle virkningerne af bulkspredning og baggrundsfluorescens. Holdet diskuterer det praktiske ved dette mesoskop til brede anvendelser inden for biomedicin og 3-D neural optagelse.

Fremadskridende fluorescensmikroskopi

Fluorescensmikroskopi er en nøgleteknik inden for grundlæggende biologi og systemneurovidenskab. Den seneste teknologiske udvikling er rettet mod at overvinde skalabarrierer for at undersøge individuelle neuroner på kun få mikron i størrelse. For eksempel, makroskoper, mesolens mikroskoper og to-foton mikroskoper er begyndt at bygge bro over denne skala; imidlertid, udviklingen af ​​sådanne billeddannelsessystemer er begrænset af skalaafhængige geometriske aberrationer af optiske elementer. Det opnåelige synsfelt (FOV) er også begrænset af systemets lave dybdeskarphed i mange biobilleddannelsesapplikationer. Forskere er også fokuseret på at miniaturisere teknologien for at tillade in vivo-billeddannelse i frit opførende dyr. For eksempel, miniaturiserede mikroskoper kendt som 'miniskoper' har fået hidtil uset adgang til neurale signaler, selvom systemerne fortsat er begrænset af deres optik, meget som deres modstykker til fluorescensmikroskopi. Xue et al. derfor introduceret og demonstreret et beregningsmæssigt miniaturemikroskop (CM ² ) med stor skala, 3D-fluorescensmålinger på en kompakt, letvægts platform.

Holdet brugte simpel optik i opsætningen til at opnå forbedring af space-bandwidth product (SBP) og 3-D billeddannelsesmuligheder uden behov for mekanisk scanning. Teknikken omgik de fysiske grænser for den integrerede optik ved i fællesskab at designe hardwaren og algoritmen. CM ² billeddannelsesmetoden kombinerede flere forskellige funktioner ved mikroskopisk billeddannelse, såsom integreret billeddannelse, lysfeltsmikroskopi og billeddiagnostik med kodet blænde. I sin virkningsmekanisme, mikroskopet opsamlede en enkelt 2-D måling ved hjælp af et mikrolinsearray (MLA) til efterfølgende beregningsmæssig rekonstruktion af 3-D fluorescensfordelingen.

CM ² brugte mikrolinsearrayet som det eneste billeddannende element og gjorde det muligt for opsætningen at overvinde synsfeltsgrænserne (FOV) pålagt af objektivlinsen i konventionelle mikroskoper. CM ² algoritmen løste 2-D-til-3-D-dekonvolutionsproblemet for at give dybdeløste rekonstruktioner. Xue et al. forklarede princippet om CM ² single-shot 3-D billeddannelseskapacitet ved at tegne en analogi til frekvensdelingsmultipleksing (FDM). Holdet kvantificerede derefter den opnåelige opløsning af CM ² ved at beregne 3D-modulationsoverførselsfunktionen (MTF) af systemet og analysere den laterale opløsning.

Xue et al. tilnærmede billeddannelsen af ​​CM ² opsætning ved at bruge en skivevis skift-invariant model. De karakteriserede opløsningen og lateral skiftvarians af opsætningen før eksperimentel billeddannelse og afbildede et fluorescerende opløsningsmål for at validere den laterale opløsning af CM ² . De validerede observationerne ved hjælp af Zemax-simulerede målinger for at finde en god overensstemmelse mellem simuleringerne og eksperimenterne. Den nye platform gjorde det muligt for forskerne at lokalisere fluorescerende emittere fordelt over et stort volumen. De testede ydelsen af ​​CM ² på prøver med en egenskabsstørrelse svarende til en enkelt neuron. Under disse forsøg, CM ² algoritmen var tolerant over for signalforringelser såsom reducerede signal-til-støj-forhold for at muliggøre høj kvalitet, fuld-synsfelt rekonstruktion. Holdet sammenlignede CM ² rekonstruktion og en aksial stak erhvervet af en objektivlinse for at demonstrere nøjagtigheden af ​​enkeltskudslokalisering af individuelle partikler.

Eksperimenter på fluorescerende fibre på en buet overflade og på kontrollerede spredningsfantomer.

Forskerne testede derefter evnen til at afbilde komplekse volumetriske fluorescerende prøver på fluorescerende fibre spredt på en 3-D printet buet overflade, efterligner overfladeprofilen af ​​en musebark, spænder over et bredt synsfelt og en udvidet dybde. Algoritmen genoprettede nøjagtigt fokusstrukturerne og løste for 3D-objektet, samtidig med at de fleste af de enkelte fibre løses. Holdet udførte yderligere eksperimenter på otte billeddannelsesfantomer for at teste ydeevnen af ​​CM ² under bulkspredning og stærk baggrundsfluorescens. Under forsøgene, de podede alle fantomer med den samme koncentration af målfluorescerende partikler og krediterede forskellene i rekonstruktion til bulkspredning og baggrundsfluorescens. Holdet inkluderede derefter 1,1 µm baggrundsfluorescerende partikler for at efterligne uopløselige fluorescerende kilder, der almindeligvis ses på biologiske prøver; såsom neutropiler i hjernen. De kvantificerede spredningsniveauet for hvert fantom, udførte 3-D rekonstruktion for hvert spredningsfantom og udførte alle dekonvolutioner ved hjælp af den samme beregningsindstilling. Det estimerede rekonstruktionsdybdeinterval varierede med overfladevariationer til stede i hvert fantom.

På denne måde Yujia Xue og kolleger udviklede et nyt miniaturiseret fluorescensbilleddannelsessystem for at muliggøre enkelt-shot mesoskopisk 3D-billeddannelse. Det beregningsmæssige miniaturemesoskop (CM ² ) metode integreret fluorescensbilleddannelse og excitationsmodulerne på den samme kompakte platform. Holdet præsenterede simuleringerne og eksperimenterne for at etablere virkningsmekanismen og 3D-billeddannelseskapaciteten for CM ² . De simulerede hjernedækkende billeddannelse af vaskulære netværk, og de primære resultater var lovende. CM ² prototypen er endnu ikke sammenlignelig med hovedmonterede in vivo-applikationer (på dyremodeller) i neurovidenskabelige laboratorier, selvom teamet forestiller sig at optimere enheden til fuld-kortikal in vivo-billeddannelse i frit bevægende mus. Billeddannelsesenheden kan forbedres yderligere med yderligere udvikling af hardware og algoritmer for at åbne nye og spændende muligheder inden for in vivo neural optagelse og biomedicinske applikationer.

© 2020 Science X Network