Onderzoekers hebben een nieuw plug-and-play-apparaat ontwikkeld dat adaptieve optische correctie kan toevoegen aan commerciële optische microscopen. Adaptieve optica kan de kwaliteit van afbeeldingen die diep in biologische monsters zijn verkregen aanzienlijk verbeteren, maar heeft, tot nu, uiterst complex om uit te voeren.

"Het verbeteren van de technologie die beschikbaar is voor levenswetenschappers kan ons begrip van biologie vergroten, welke zal, beurtelings, leiden tot betere medicijnen en therapieën die beschikbaar zijn voor artsen, " zei onderzoeksteamleider, Paolo Pozzi van de Universiteit van Modena en Reggio Emilia in Italië.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , Pozzi en een multidisciplinair team van onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft), CNR-Instituut voor Fotonica en Nanotechnologie (CNR-IFL) en Universitair Medisch Centrum Rotterdam beschrijven hun nieuwe adaptieve lensapparaat. Ze laten ook zien hoe het eenvoudig kan worden geïnstalleerd op de objectieflens van een commerciële multiphoton-microscoop om de beeldkwaliteit te verbeteren.

"Deze benadering zal geavanceerde optische technieken zoals multifotonenmicroscopie toelaten om dieper onder het oppervlak van de hersenen in levende organismen beelden te maken, " zei Stefano Bonora, groepsleider bij de CNR-IFL. "We kijken ernaar uit om te zien hoe het ook in andere systemen kan worden geïmplementeerd, zoals lichtplaatmicroscopen, superresolutiesystemen, of zelfs eenvoudige epifluorescentiemicroscopen."

Diepere beeldvorming

Optische microscopie kan worden gebruikt om biologische monsters in natuurlijke omstandigheden af ​​te beelden, waardoor het mogelijk is om verschillende biologische processen in de tijd te observeren. Echter, als licht door weefsel reist, wordt het vervormd. Deze vervorming wordt erger naarmate het licht dieper het weefsel in gaat, waardoor afbeeldingen er wazig uitzien en belangrijke details verdoezelen.

Adaptieve optica, een technologie die oorspronkelijk is ontwikkeld om atmosferische turbulentie te compenseren bij het gebruik van telescopen om hemellichamen te bekijken, kan worden gebruikt om de optische aberraties te corrigeren die optreden bij beeldvorming door dik weefsel. Echter, hiervoor is meestal het bouwen van een aangepaste microscoop nodig die een vervormbare spiegel bevat. Deze spiegel wordt gebruikt om de vervormingen te compenseren, het creëren van een beeld dat er scherp en duidelijk uitziet.

"Het opnemen van een vervormbare spiegel in een bestaande microscoop is bijna onmogelijk, en er is nog geen commerciële adaptieve microscoop op de markt verkrijgbaar, "zei Pozzi. "Dit betekent dat de enige optie voor een levenswetenschapper om adaptieve optica te gebruiken, is om de hele microscoop helemaal opnieuw te bouwen, een operatie die te moeilijk en tijdrovend is voor de meeste life sciences laboratoria."

Een eenvoudigere aanpak

Om deze opstelling te vereenvoudigen, de onderzoekers creëerden een slimme lens gemaakt van glas dat zo dun is dat het kan buigen zonder te breken. De lens bestaat uit een glazen schijfvormige houder gevuld met een transparante vloeistof. Een set van 18 mechanische actuatoren op de glasranden kan met een computer worden aangestuurd om het glas in een gewenste vorm te buigen.

De lens functioneert als de vervormbare spiegel die wordt gebruikt in de meeste adaptieve optische opstellingen, maar in plaats van licht te reflecteren, het laat licht door. Terwijl licht door de vloeistof in de lens reist, het wordt anders vervormd, afhankelijk van de vorm van de lens. "Dit is vergelijkbaar met de vervormde beelden die je ziet als je door een fles water kijkt terwijl je er met je handen in knijpt, ' zei Bonora.

Het gebruik van de lens voor adaptieve optische correctie vereist een complex algoritme om de actuatoren te besturen. "Efficiënte optische correctie werd mogelijk gemaakt door het DONE-algoritme (database online niet-lineaire extremumzoeker), een zeer elegante oplossing gebaseerd op machine learning-achtige principes, die we eerder aan de TU Delft ontwikkelden, ' zei Pozzi.

Snelle resultaten

De onderzoekers testten de nieuwe software, die via github ook aan anderen beschikbaar wordt gesteld, en adaptieve lens door deze toe te passen op de objectieflens van een commerciële multifotonmicroscoop. Ze gebruikten de microscoop om calciumbeeldvorming uit te voeren op de hersenen van levende muizen, een van de meest complexe biowetenschappelijke experimenten die met microscopen zijn uitgevoerd.

"We hebben onze verwachtingen overtroffen door binnen een paar uur hele mooie resultaten te behalen, "zei Pozzi. "Deze technologie kan achteraf worden ingebouwd in elke bestaande microscoop die verwisselbare objectieven heeft en afbeeldingen op een computerscherm weergeeft."

De onderzoekers testen het systeem nu op andere soorten microscopen en monsters, terwijl ze ook onderzoeken of meerdere adaptieve lenzen kunnen worden gebruikt om een ​​betere correctie te bereiken dan mogelijk is met complexere technieken met vervormbare spiegels. Het team heeft ook een spin-off bedrijf opgericht, Dynamic Optics srl, om de adaptieve multi-actuatorlenzen te commercialiseren.

De nieuwe lens kan ook nuttig zijn voor toepassingen die verder gaan dan microscopie. "Ons nieuwe apparaat zou ook op andere gebieden kunnen worden toegepast, zoals communicatie in de vrije ruimte, optica, waar het de dataverbindingssnelheden kan verhogen en dataverbindingen naar afgelegen en geïsoleerde gebieden kan brengen, ' zei Pozzi.