Onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om de beeldsnelheid van twee-fotonenmicroscopie tot vijf keer te verbeteren zonder de resolutie in gevaar te brengen. Deze recordsnelle beeldsnelheid stelt wetenschappers in staat biologische fenomenen waar te nemen die voorheen te vluchtig waren om met de huidige ultramoderne geavanceerde microscopie in beeld te brengen.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers onder leiding van Shih-Chi Chen van de Chinese Universiteit van Hong Kong beschrijven hoe ze een computationele beeldvormingsbenadering, bekend als compressieve beeldvorming, combineerden met een snellere scanmethode. Ze gebruikten de nieuwe methode om in minder dan een seconde twee-fotonmicroscopiebeelden van een stuifmeelkorrel te maken. Met de traditionele aanpak zou dit vijf keer zo lang duren.

"Deze nieuwe op compressie gebaseerde twee-fotonmicroscopiemethode zal nuttig zijn voor het visualiseren van een neuraal netwerk of het monitoren van activiteit van honderden neuronen tegelijk, " zei Chenyang Wen, eerste auteur van het artikel. "Typisch, neuronen zenden signalen uit op een tijdschaal van 10 milliseconden, welke conventionele systemen te traag zijn om te volgen."

Sneller scannen

Twee-fotonmicroscopie werkt door ultrasnelle pulsen van infrarood laserlicht aan het monster te leveren, waar het interageert met weefsel of fluorescerende labels die signalen uitzenden die worden gebruikt om een ​​afbeelding te maken. Het wordt veel gebruikt voor biologieonderzoek vanwege zijn vermogen om hoge resolutie, 3D-beelden tot een diepte van één millimeter. Deze voordelen, echter, komen met een beperkte beeldsnelheid omdat de omstandigheden met weinig licht puntdetectoren vereisen die punt-voor-punt beeldacquisitie en reconstructie vereisen.

Om de beeldvorming te versnellen, de onderzoekers ontwikkelden eerder een multi-focus laserverlichtingsmethode die gebruik maakt van een digitaal microspiegelapparaat (DMD), een soort goedkope lichtscanner die doorgaans in projectoren wordt gebruikt. "Men dacht dat deze DMD's niet konden werken met ultrasnelle lasers, "zei Chen. "Echter, we hebben onlangs dit probleem aangepakt, die de toepassing van DMD's in ultrasnelle lasertoepassingen mogelijk heeft gemaakt, waaronder bundelvorming, pulsvorming, snel scannen en beeldvorming met twee fotonen."

De DMD genereert vijf tot 30 punten gefocust laserlicht op willekeurig geselecteerde locaties binnen een monster. De positie en intensiteit van elk lichtpunt worden gecontroleerd door een binair hologram dat op het apparaat wordt geprojecteerd. Tijdens elke meting wordt de DMD flitst het hologram opnieuw om de positie van elke focus te wijzigen en registreert de intensiteit van de fluorescentie van twee fotonen met een detector van één pixel. Hoewel, op veel manieren, DMD-multifocusscannen is flexibeler en sneller dan traditioneel rasterscannen, de snelheid wordt nog steeds beperkt door de snelheid waarmee het apparaat lichtpatronen kan vormen.

Het combineren van methoden zorgt voor snellere beeldvorming

In het nieuwe werk de onderzoekers verhogen de beeldsnelheid verder door multifocusscanning te combineren met compressieve detectie. Deze computationele benadering maakt beeldreconstructie met minder belichtingen mogelijk omdat het in één stap bemonstering en beeldcompressie uitvoert en vervolgens een algoritme gebruikt om de ontbrekende informatie in te vullen. Voor twee-fotonenmicroscopie, hierdoor kan een monster worden gereconstrueerd met 70 tot 90 procent minder belichtingen dan bij traditionele benaderingen.

Na het uitvoeren van een simulatie-experiment om de prestaties van de nieuwe methode aan te tonen en optimale parameters te identificeren, de onderzoekers testten het met twee-foton imaging-experimenten. Deze experimenten demonstreerden het vermogen van de techniek om 3D-beelden van hoge kwaliteit te produceren met hoge beeldsnelheden vanuit elk gezichtsveld. Bijvoorbeeld, ze konden beelden krijgen van vijf lagen in een stuifmeelkorrel, waarbij elke laag 100 × 100 pixels meet, in slechts 0,55 seconden. Dezelfde afbeeldingen die met rasterscannen werden verkregen, duurden 2,2 seconden.

"We hebben een 3 tot 5 keer hogere beeldsnelheid bereikt zonder de resolutie op te offeren bij het afbeelden van willekeurig geselecteerde regio's in 3D-monsters, " zei Wen. "Wij geloven dat deze nieuwe, op compressie gebaseerde benadering nuttig zal zijn om te gebruiken met benaderingen zoals optogenetica waarbij licht wordt gebruikt om neuronen te controleren en zal leiden tot nieuwe ontdekkingen in biologie en geneeskunde."

De onderzoekers werken aan een verdere verbetering van de snelheid van het reconstructie-algoritme en de beeldkwaliteit. Ze zijn ook van plan om het DMD-platform te gebruiken met andere geavanceerde beeldtechnieken zoals golffrontcorrectie, waardoor diepe weefselbeeldvorming mogelijk is.