Исследователи разрабатывают новую технику, которая преобразует изображения 2D флуоресцентной микроскопии в 3D-фильмы

15 2019

Исследователи из Университета Райса расширили возможности обычных лабораторных микроскопов, добавив новое измерение в их революционную технику.

Исследователи из Университета Райс создали метод создания пользовательских масок, которые преобразуют 2D-изображения флуоресцентной микроскопии в 3D-фильмы. (Фото предоставлено исследовательской группой Landes)

Пару лет назад в лаборатории Райса химика Кристи Ландес была представлена ​​микроскопия сверхвременного разрешения. Благодаря этой методике ученые смогли гораздо быстрее получать изображения флуоресцентных молекул – в 20 раз быстрее, чем обычно позволяют обычные лабораторные камеры. Теперь они создали стандартную технику, позволяющую микроскопу захватывать трехмерные пространственные данные вместе с молекулярным движением – четвертым измерением – с течением времени.

По словам исследователей, этот метод поможет ученым, сосредоточенным на динамических процессах, увидеть местоположение молекул-мишеней, а также скорость, с которой они движутся, например, внутри живых клеток. Новая методика, разработанная командой Райс, расширяет возможности широко распространенных флуоресцентных микроскопов. Результаты исследования были опубликованы в открытом доступе команды в Optics Express .

В нем подробно описывается разработка пользовательских фазовых масок – вращающихся и прозрачных дисков, которые используют фазу света для изменения формы изображения, получаемого камерой микроскопа. Форма включает в себя данные, относящиеся к трехмерному положению молекулы в пространстве и ее поведению в поле зрения камеры с течением времени.

Размытое пятно, которое кажется неудобным, на микроскопическом изображении преобразуется в актив с помощью фазовой маски. Исследователи назвали этот шарик функцией распределения точек и применяют его для получения информации, относящейся к объектам ниже предела дифракции, которые относительно меньше, чем весь видимый свет, который можно увидеть под микроскопом.

В первоначальном исследовании была применена вращающаяся фазовая маска, которая преобразовывала свет от одной флуоресцентной молекулы в так называемую вращающуюся двойную спираль, называемую исследователями. Захваченное изображение появилось в виде двух светящихся дисков на камере, похожих на шарики штанги. В последнем исследовании вращающиеся штанги позволили исследователям увидеть, где именно молекулы находились в трехмерном (трехмерном) пространстве, и в то же время предоставили метку времени для каждой молекулы.

Ядром последнего исследования являются алгоритмы, разработанные Вэньсяо Ваном, выпускником Rice по электротехнике и вычислительной технике и ведущим автором. Алгоритмы позволяют создавать собственные фазовые маски, которые изменяют форму функции разброса точек.

« С фазовой маской с двойной спиралью информация о времени и пространственная информация были связаны », – заявил Чаян Датта, соавтор и научный сотрудник лаборатории Ландеса. « Вращение лопастей могло выражать либо информацию о трехмерном пространстве, либо о быстром времени, и не было никакой возможности определить разницу между временем и пространством ».

Эта проблема может быть решена лучшими фазовыми масками, заявил он. « Новая конструкция фазовой маски, которую мы называем фазовой маской с растягивающимися лепестками, разделяет пространство и время », – сказал Датта. « Когда цели находятся на разной глубине, лепестки растягиваются дальше или сближаются, и информация о времени теперь кодируется только во вращении ».

Хитрость заключается в улучшении шаблона для различной глубины путем манипулирования светом в маске фазы вращения, и это достигается с помощью рефракционного шаблона, который программируется в маске посредством алгоритма.

Каждый слой оптимизирован в алгоритме для различной глубины обнаружения . Если раньше мы могли видеть объекты в двух измерениях во времени, то теперь мы можем одновременно видеть все три пространственных измерения и поведение быстрого времени.

Николас Моринго, соавтор и аспирант химического факультета Университета Райса.

Широкопольные флуоресцентные микроскопы используются во многих областях, особенно в клеточной биологии и медицинской визуализации. Мы только начинаем демонстрировать, как манипулирование фазой света в микроскопе является достаточно простым способом улучшения пространственного и временного разрешения по сравнению с разработкой новых флуоресцентных меток или разработкой новых аппаратных усовершенствований .

Кристи Ландес, профессор химии, электротехники и вычислительной техники, Университет Райса.

Она сказала, что одним из главных результатов, который может оказать широкое влияние, является то, что исследователи обобщили проект фазовой маски, что означает, что ученые могут разрабатывать маски для создания практически любого случайного шаблона. Чтобы доказать это, исследователи разработали и разработали маску для создания сложной функции разброса точек, которая четко выделяет «RICE» на различных глубинах фокусировки.

На видео ниже показано, что при перемещении микроскопа на разную глубину ниже и выше фокальной плоскости призрачные буквы появляются и исчезают. Подобная гибкость будет полезна для приложений, например, для изучения процессов в живых раковых клетках – проект, который лаборатория надеется вскоре реализовать с партнерами из Техасского медицинского центра.

Если у вас есть ячейка на предметном стекле, вы сможете понять, где объекты в ячейке связаны друг с другом и как быстро они движутся. Камеры не достаточно быстрые, чтобы захватить все, что происходит в ячейке, но наша система может .

Николас Моринго, соавтор и аспирант химического факультета Университета Райса.

Соавторами исследования являются аспирантка Райс Фан Е; бывший докторский исследователь Райс Хао Шен, в настоящее время доцент в Кентском государственном университете; и Джейкоб Робинсон, доцент Райс по электротехнике и вычислительной технике. Ландес – профессор химии, электротехники и вычислительной техники. В настоящее время Ван является инженером-программистом в Google.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Фондом Уэлча.

Исследователи из Университета Райса создали алгоритм для создания пользовательских фазовых масок, которые помогают анализировать молекулярные процессы ниже дифракционного предела и в 20 раз быстрее, чем традиционные камеры. Команда создала маску, которая показывает глубину объекта, излагая RICE при изменении фокальной плоскости. (Видео предоставлено Wenxiao Wang / Landes Research Group)

Source link