De online functie omslagfoto op wetenschappelijke vooruitgang toont deze week fluorescentiebeeldvorming met een computationele miniatuurmesoscoop (CM ² ). De techniek van fluorescentiebeeldvorming is een essentieel hulpmiddel voor biologen en neurowetenschappers; echter, conventionele microscopen en geminiaturiseerde microscopen (miniscopen) worden beperkt door een product met beperkte ruimte-bandbreedte - een meting van de informatiecapaciteit van een optisch systeem, ondiepe scherptediepte en een onvermogen om driedimensionale (3-D) gedistribueerde emitters op te lossen. Om bestaande limieten te overwinnen, Yujia Xue en een team van onderzoekers in elektrotechniek en computertechniek, biologie, neurofotonica en biomedische technologie aan de Boston University, ONS., ontwikkelde een lichte en compacte mesoscoop die bekend staat als de computationele miniatuurmesoscoop (CM ² ).

Het nieuwe platform integreerde een microlens voor beeldvorming en een LED-array voor excitatie binnen dezelfde opstelling. Het apparaat voerde single-shot 3D-beeldvorming uit en zorgde voor een 10-voudige gezichtsveldversterking en een 100-voudige scherptediepteverbetering, vergeleken met bestaande miniscopen. Xue et al. testte het apparaat met fluorescerende kralen en vezels naast fantoomexperimenten om de effecten van bulkverstrooiing en achtergrondfluorescentie te meten. Het team bespreekt de bruikbaarheid van deze mesoscoop voor brede toepassingen in de biogeneeskunde en 3D neurale opname.

Vooruitgang in fluorescentiemicroscopie

Fluorescentiemicroscopie is een sleuteltechniek in de fundamentele biologie en systeemneurowetenschappen. Recente technologische ontwikkelingen zijn gericht op het overwinnen van schaalbarrières om individuele neuronen van slechts enkele micron groot te onderzoeken. Bijvoorbeeld, macroscopen, mesolens-microscopen en twee-fotonenmicroscopen beginnen deze schaal te overbruggen; echter, de ontwikkeling van dergelijke beeldvormingssystemen wordt beperkt door schaalafhankelijke geometrische aberraties van optische elementen. Het bereikbare gezichtsveld (FOV) wordt ook beperkt door de geringe scherptediepte van het systeem in veel bioimaging-toepassingen. Onderzoekers zijn ook gericht op het miniaturiseren van de technologie om in vivo beeldvorming mogelijk te maken bij dieren die zich vrij gedragen. Bijvoorbeeld, geminiaturiseerde microscopen die bekend staan ​​als 'miniscopen' hebben ongekende toegang gekregen tot neurale signalen, hoewel de systemen beperkt blijven door hun optica, net als hun tegenhangers van fluorescentiemicroscopie. Xue et al. daarom introduceerde en demonstreerde een computationele miniatuurmicroscoop (CM ² ) met grootschalige, 3D-fluorescentiemetingen op een compacte, lichtgewicht plateau.

Het team gebruikte eenvoudige optica in de opstelling om ruimte-bandbreedte product (SBP) verbetering en 3D-beeldvormingsmogelijkheden te bereiken zonder de noodzaak van mechanisch scannen. De techniek omzeilde de fysieke grenzen van de geïntegreerde optica door gezamenlijk de hardware en het algoritme te ontwerpen. de CM ² beeldvormingsmethode combineerde verschillende kenmerken van microscopische beeldvorming, zoals integrale beeldvorming, lichtveldmicroscopie en beeldvorming met gecodeerde apertuur. In zijn werkingsmechanisme, de microscoop verzamelde een enkele 2D-meting met behulp van een microlens-array (MLA) voor daaropvolgende computationele reconstructie van de 3D-fluorescentieverdeling.

de CM ² gebruikte de microlens-array als het enige beeldelement en zorgde ervoor dat de opstelling de gezichtsveldlimieten (FOV) kon overwinnen die werden opgelegd door de objectieflens van conventionele microscopen. de CM ² algoritme loste het 2-D-naar-3-D deconvolutieprobleem op om diepte-opgeloste reconstructies te bieden. Xue et al. legde het principe van de CM . uit ² single-shot 3D-beeldvorming door een analogie te trekken met frequency division multiplexing (FDM). Het team kwantificeerde vervolgens de haalbare resolutie van de CM ² door de 3D-modulatieoverdrachtsfunctie (MTF) van het systeem te berekenen en de laterale resolutie te analyseren.

Xue et al. benaderde de beeldvorming van de CM ² setup met behulp van een slice-wise shift-invariant model. Ze karakteriseerden de resolutie en laterale verschuivingsvariantie van de opstelling voorafgaand aan experimentele beeldvorming en beeldden een fluorescerend resolutiedoel af om de laterale resolutie van de CM te valideren ² . Ze valideerden de waarnemingen met behulp van Zemax-gesimuleerde metingen om een ​​goede overeenkomst tussen de simulaties en de experimenten te vinden. Met het nieuwe platform konden de wetenschappers fluorescerende emitters lokaliseren die over een groot volume waren verdeeld. Ze testten de prestaties van CM ² op monsters met een kenmerkgrootte vergelijkbaar met een enkel neuron. Tijdens deze experimenten, de CM ² algoritme was tolerant voor signaaldegradaties zoals verminderde signaal-ruisverhoudingen om hoogwaardige, reconstructie van het volledige gezichtsveld. Het team vergeleek de CM ² reconstructie en een axiale stapel verkregen door een objectieflens om de nauwkeurigheid van single-shot lokalisatie van individuele deeltjes aan te tonen.

Experimenten met fluorescerende vezels op een gekromd oppervlak en met gecontroleerde verstrooiende fantomen.

De wetenschappers testten vervolgens het vermogen om complexe volumetrische fluorescerende monsters af te beelden op fluorescerende vezels verspreid over een 3D-geprint gebogen oppervlak, het oppervlakteprofiel van een muiscortex nabootsen, over een breed gezichtsveld en een uitgebreide diepte. Het algoritme heeft de in-focusstructuren nauwkeurig hersteld en opgelost voor het 3D-object, terwijl de meeste individuele vezels worden opgelost. Het team voerde verder experimenten uit op acht beeldvormende fantomen om de prestaties van CM . te testen ² onder bulkverstrooiing en sterke achtergrondfluorescentie. Tijdens de experimenten, ze zaaiden alle fantomen met dezelfde concentratie van fluorescerende doeldeeltjes en schreven de verschillen in reconstructie toe aan bulkverstrooiing en achtergrondfluorescentie. Het team nam vervolgens fluorescerende deeltjes van 1,1 m op om onoplosbare fluorescerende bronnen na te bootsen die vaak worden gezien op biologische monsters; zoals neutropilen in de hersenen. Ze kwantificeerden het verstrooiingsniveau voor elk fantoom, voerde 3D-reconstructie uit voor elk verstrooiingsfantoom en voerde alle deconvoluties uit met dezelfde rekenkundige instelling. Het geschatte dieptebereik van de reconstructie varieerde met oppervlaktevariaties die in elk fantoom aanwezig waren.

Op deze manier, Yujia Xue en collega's ontwikkelden een nieuw geminiaturiseerd fluorescentiebeeldvormingssysteem om single-shot mesoscopische 3D-beeldvorming mogelijk te maken. De computationele miniatuurmesoscoop (CM ² ) methode geïntegreerde fluorescentiebeeldvorming en de excitatiemodules op hetzelfde compacte platform. Het team presenteerde de simulaties en experimenten om het werkingsmechanisme en de 3D-beeldvormingscapaciteit van de CM . vast te stellen ² . Ze simuleerden hersenbrede beeldvorming van vasculaire netwerken en de primaire resultaten waren veelbelovend. de CM ² prototype is nog niet vergelijkbaar met op het hoofd gemonteerde in vivo toepassingen (op diermodellen) in neurowetenschappelijke laboratoria, hoewel het team voor ogen heeft het apparaat te optimaliseren voor volledig corticale in vivo beeldvorming in vrij bewegende muizen. Het beeldvormingsapparaat kan verder worden verbeterd met verdere ontwikkelingen in hardware en algoritmen om nieuwe en opwindende mogelijkheden te openen binnen in vivo neurale opname en biomedische toepassingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk