Onderzoekers van de National Institutes of Health en de University of Chicago verbeterden de snelheid, oplossing, en lichtefficiëntie van een optische microscoop door over te schakelen van een conventionele glazen dekglaasje naar een reflecterend, gespiegeld dekglaasje aan en het toepassen van nieuwe computeralgoritmen om de resulterende gegevens te verwerken.

Hari Shroff, doctoraat, hoofd van de laboratoriumafdeling van het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering over High Resolution Optical Imaging (HROI), en zijn team hebben de afgelopen jaren optische microscopen ontwikkeld die hoge resolutiebeelden met zeer hoge snelheid produceren. Nadat zijn lab deze nieuwe microscopen heeft ontwikkeld, ze geven de plannen en software gratis vrij, zodat elke onderzoeker de vorderingen van de NIH kan repliceren.

Deze nieuwste microscoop bouwt voort op eerdere verbeteringen die Shroff's lab had aangebracht met Selective Plane Illuminating Microscopy (SPIM). De ontwikkelingen worden beschreven in een paper gepubliceerd op 13 november, 2017, in de voorverkoop online editie van Natuurcommunicatie . SPIM-systemen verschillen van traditionele microscopen omdat ze lichte vellen gebruiken om het monster te exciteren, alleen het afgebeelde monstervlak blootstellen aan licht. Omdat alleen het deel van het monster dat wordt afgebeeld (in plaats van het hele monster) wordt blootgesteld aan licht, er is minder algemene schade aan het monster. Dus, SPIM-systemen zijn zachter dan traditionele microscopen.

In 2013, Shroff en zijn collega in het HROI-lab, Yicon Wu, heeft de diSPIM ontwikkeld - een SPIM-systeem uitgerust met twee lenzen, zodat het twee weergaven van het monster krijgt in plaats van slechts één. Net zoals het gebruik van twee ogen een veel betere diepte en driedimensionale waarneming geeft dan het gebruik van slechts één oog, de dual-view microscoop maakt 3D-beeldvorming mogelijk met een veel grotere helderheid en resolutie dan traditionele single-view-beeldvorming. in 2016, ze hebben een derde lens toegevoegd, waaruit blijkt dat deze extra weergave de lichtefficiëntie en resolutie in 3D-beeldvorming verder kan verbeteren.

"Toen we drie lenzen hadden ingebouwd, we merkten dat het steeds moeilijker werd om meer toe te voegen, "zei Shroff. "Niet omdat we de limiet van onze rekenvaardigheden hebben bereikt, maar omdat we geen fysieke ruimte meer hadden."

De lenzen die worden gebruikt om de monsters af te beelden zijn omvangrijk en moeten dicht bij de monsters zijn om de gedetailleerde subcellulaire structuur in een enkele cel of de neuronale ontwikkeling in een wormembryo duidelijk af te beelden. De ruimte rond het monster wordt met elke extra lens steeds beperkter.

De oplossing van Wu en Shroff was conceptueel eenvoudig en relatief goedkoop. In plaats van te proberen manieren te vinden om meer lenzen in te stoppen, ze gebruiken gespiegelde dekglaasjes.

"Het is net alsof je in een spiegel kijkt, " legde Shroff uit. "Als je naar een scène in een spiegel kijkt, u kunt perspectieven bekijken die anders verborgen zijn. We gebruikten hetzelfde principe met de microscoop. We kunnen het monster conventioneel zien met behulp van de gebruikelijke weergaven die door de lenzen zelf worden mogelijk gemaakt, terwijl tegelijkertijd de gereflecteerde beelden van het monster worden opgenomen dat door de spiegel wordt geleverd."

Een complicatie is dat zowel de conventionele als de gereflecteerde beelden een ongewenste achtergrond bevatten die door de lichtbron wordt gegenereerd. Om dit probleem aan te pakken, Wu en Shroff werkten nauw samen met de groep van Patrick La Riviere aan de Universiteit van Chicago. La Riviere is een expert in computationele beeldvorming, en hielp het team computerverwerkingssoftware te maken die de ongewenste achtergrond kan identificeren en verwijderen en de afbeelding kan verduidelijken.

Met behulp van de gespiegelde dekglaasjes in combinatie met de computersoftware, het team was in staat om de snelheid tweevoudig te verbeteren en de resolutie bijna te verdubbelen in vergelijking met conventionele diSPIM-systemen zonder de hardware van de microscoop te veranderen. Een bijkomend voordeel van de techniek is dat bij gespiegelde dekglaasjes, de microscoop kan meer licht van het monster verzamelen zonder de algehele lichtblootstelling aan het monster te vergroten. Als resultaat, het verhoogt de efficiëntie met twee tot drie keer in vergelijking met diSPIM. De onderzoekers hopen dat deze techniek in de toekomst kan worden aangepast aan andere vormen van microscopie.