Een al lang bestaand probleem in de optica houdt in dat een verbeterde resolutie bij beeldvorming wordt gecompenseerd door een verlies in de scherptediepte. Nutsvoorzieningen, wetenschappers combineren berekeningen met röntgenbeeldvorming terwijl ze een nieuwe en opwindende techniek ontwikkelen om deze beperking te omzeilen.

Het komende Advanced Photon Source Upgrade (APS-U)-project in Argonne zal dit probleem onder een van de helderste schijnwerpers zetten die je je kunt voorstellen. De upgrade maakt de APS, een Department of Energy Office of Science User Facility, 500 keer helderder dan het nu is, het verder verbeteren van de mogelijkheden van zijn röntgenstralen om de rangschikking van atomen en moleculen in een breed scala aan biologische en technologische materialen te bestuderen.

"Een hele reeks röntgenbeeldvormingsexperimenten zal uiteindelijk zoiets nodig hebben, omdat ze in de toekomst allemaal de resolutie naar fijnere lengteschalen duwen, " zei Chris Jacobsen, een Argonne Distinguished Fellow en hoogleraar natuurkunde aan de Northwestern University. Met de upgrade op zijn plaats, De röntgenstralen van de APS kunnen wetenschappers in staat stellen systemen te bestuderen zoals het volledige netwerk van synaptische verbindingen in de hersenen, of het volledige volume van een geïntegreerde schakeling tot in de kleinste details.

"Een hele reeks röntgenbeeldvormingsexperimenten zal uiteindelijk zoiets nodig hebben, omdat ze in de toekomst allemaal de resolutie naar fijnere lengteschalen duwen." - Chris Jacobsen, Argonne Distinguished Fellow/hoogleraar natuurkunde aan de Northwestern University.

In een nieuwe studie, een team van onderzoekers uit Argonne, Northwestern en Cornell University hebben een computationele benadering ontwikkeld die simuleert hoe de APS-U het beste zou kunnen werken, vooral in de röntgenbeeldvormingsmodus, bekend als ptychografie. Ze presenteerden hun aanpak, genaamd Multislice Optimized Object Recovery (MOOR), in het nummer van 20 september van optiek.

X-ray ptychografie is een krachtige scantechniek die dunne plakjes materiaal afbeeldt met een resolutie van beter dan 30 nanometer (een mensenhaar meet ongeveer 75, 000 nanometer in diameter). Traditionele algoritmische en computationele benaderingen die worden gebruikt om afbeeldingen te reconstrueren van monsters die met deze techniek zijn onderzocht, zijn beperkt tot tweedimensionale plakjes.

"De opschaling van X-ray ptychografie voor 3D-beeldvorming van de hersenen zou enorm zijn, " zei Genia Kozorovitskiy, een assistent-professor neurobiologie aan de Northwestern. "Onze neurale circuits zijn met elkaar verbonden door triljoenen kleine verbindingen die synapsen worden genoemd, die worden gebruikt voor cel-naar-cel communicatie via elektrochemische middelen. Veranderingen in de manier waarop neurale circuits en synapsen met elkaar zijn verbonden, vormen de sleutel tot het begrijpen van de oorzaak van veel menselijke neurologische en mentale gezondheidsstoornissen."

De National Institutes of Health financieren Jacobsen en Kozorovitskiy om zowel de resolutie als de monstervoorbereiding van neuraal weefsel voor röntgenbeeldvorming te optimaliseren. Toenemende dieptepenetratie van röntgen ptychografie via de APS-U zou onderzoekers in staat stellen een nieuwe, sneller, niet-destructieve manier om het bindweefsel van volledige gewervelde hersenen in kaart te brengen.

Neurowetenschappers gebruiken tegenwoordig elektronenmicroscopie om neurale connectiviteit bij muizen in kaart te brengen. "Het indelen van het volledige muizenbrein voor elektronenmicroscopie is een ontmoedigende taak, een die nog niemand heeft geprobeerd, Kozorovitskiy merkte op. "Met röntgentomografie, het hele brein zou in theorie kunnen worden afgebeeld zonder fysieke sectie, het vereenvoudigen van grootschalige, beeldconstructie met hoge resolutie."

Om de effectiviteit van het MOOR-algoritme voor dit doel te testen, de wetenschappers bedachten een testmonster waarvan de eigenschappen de scherptedieptelimiet zouden opwekken die ze probeerden te overwinnen. Zij ontwierpen het object, een taps toelopende glazen holle kegel van 200 nanometer langs zijn as en ingebed met titanium nanobolletjes, om te lijken op de dunne capillaire buisjes die veel worden gebruikt in laboratoriumexperimenten voor de microscopische studie van cellen die zijn ingevroren in vloeibare suspensie.

Deze eenvoudige, een eenvoudig te vervaardigen monster zorgde ervoor dat de eerste experimentele metingen die de wetenschappers zullen doen, kunnen overeenkomen met hun model. "Ons doel op langere termijn is niet om glazen haarvaten met titaandioxidebollen erop te bestuderen, maar om echt de resolutie te pushen voor het in beeld brengen van een heel muizenbrein, ' zei Jacobsen.

Onderzoekers gebruiken momenteel de Bionanoprobe in sector 9 van het APS voor 3D-beeldvorming van kleine biologische monsters, zoals een bevroren, gehydrateerde cel. Er worden inspanningen geleverd om hetzelfde vermogen te ontwikkelen op veel grotere monsters, inclusief hele muizenhersenen, bij andere instrumenten bij het APS.

De MOOR-demonstratie omvatte het oplossen van een optimalisatie met bijna 17 miljoen complexe variabelen, waarbij het MOOR-algoritme wordt geschaald naar 2, 880 cores van het Bebop supercomputing cluster in Argonne's Laboratory Computing Resource Center. Het werk zal verder profiteren van een nieuwe computerprijs als onderdeel van het Data Science-programma bij de Argonne Leadership Computing Facility, een andere DOE Office of Science User Facility.

Het relatief gemakkelijke deel van het probleem is om te begrijpen wat er gebeurt als je van model naar meting gaat.

"We kunnen dit probleem oplossen door de fysica in het model te verwerken, " zei Youssef Nashed, een computerwetenschapper in de wiskunde- en informatica-divisie van Argonne. "De natuurkunde vertelt ons hoe we van model naar meting kunnen gaan. De wiskunde vertelt ons hoe we van meting naar model kunnen gaan. Het is een omgekeerd probleem."

Om het omgekeerde probleem op te lossen, het Argonne-optimalisatiealgoritme verfijnt iteratief zijn representatie van het onbekende model door overeenstemming te zoeken tussen het model en de enorme hoeveelheden beeldgegevens.

"Om dit efficiënt en met de benodigde resolutie te doen, is een sterke mix van toegepaste wiskunde nodig, parallelle informatica en natuurkunde, ' zei Nashed.

Deze vermenging van disciplines heeft ook betrekking op toepassingen van techniek. "Het is opwindend dat algoritmen zoals MOOR kunnen dienen als een numerieke lens voor het in beeld brengen van de steeds meer nanoschaal-niveau circuits die de werkpaarden zijn van moderne computerhardware, " zei Stefan Wild, een co-auteur van het Optica-artikel en een computationele wiskundige bij Argonne.