Als het gaat om een ​​driedimensionale kijk op cellen in het menselijk lichaam, het is niet veel anders dan 's nachts uit te zoeken waar een vuurvlieg zich precies in een veld bevindt. We kunnen zien in welke richting het is, maar het is een uitdaging om te weten hoe ver het is.

Een vuurvlieg straalt lichtgevende, onsamenhangend licht. De lichtgolven verspreiden zich zonder zich in een bepaalde richting voort te planten, wat het bepalen van de exacte locatie van de vuurvlieg moeilijk maakt.

Een vleermuis die door de nachtelijke hemel vliegt, zou niet hetzelfde probleem hebben. Het kan die arme vuurvlieg gemakkelijk lokaliseren door een geluidsgolf in de richting van de vlieg te lanceren en te luisteren naar de terugkerende echo. De geluidsgolf van de vleermuis is coherent en gericht, waardoor ze de locatie van de vuurvlieg kon lokaliseren met de terugverstrooide geluidsgolven.

Soortgelijke coherente golfverstrooiing wordt gebruikt in allerlei alledaagse technologieën, inclusief echo's, sonar, radar, en coherente optische diffractie. Al deze methoden vereisen coherente golven, met goed opgevoede toppen en dalen van de golf terwijl deze zich voortplant. In de wereld van de optica lasers vertonen dezelfde golfcoherentie.

Onder steun van financiering van de National Institutes of Health, elektrische en computertechniek Professor Randy Bartels' groep, in samenwerking met professor Ali Pezeshki, Dr. Jeff Field, Colorado School of Mines Professor Jeff Squier, en afgestudeerde student Patrick Stockton, een manier gevonden om onsamenhangende lichtemissie te behandelen alsof het coherent licht is. Met deze nieuwe technologie kan het team onsamenhangend licht van fluorescerende moleculen verzamelen en 3D digitale modellen van het object reconstrueren.

"We hebben nu een geheel nieuwe manier om erachter te komen waar fluorescerend licht vandaan komt dat voorheen niet toegankelijk was, ’ zei Bartels.

Een model maken van onsamenhangend licht

Gepubliceerd in het tijdschrift optiek , De groep van Bartels combineerde optica en wiskundige berekeningen om een ​​nieuwe strategie te ontwikkelen die onsamenhangend fluorescerend licht dat door een object wordt uitgezonden, vormt tot een 3D-beeld met hoge resolutie.

Bartels vergelijkt de strategie met ultrasone beeldvorming die een beeld creëert van een cel of ander object in het menselijk lichaam. Echografie gebruikt de oscillaties van geluidsgolven die door een object worden weerkaatst om een ​​beeld te creëren, wiskundige berekeningen gebruiken om de verschillen in afstand en tijd te berekenen die nodig waren om een ​​golf terug naar de detector te sturen.

Het probleem met fluorescerend licht, vaak gebruikt in optische microscopen, is dat het licht onsamenhangend is. De onsamenhangende fluorescerende emissie vervormt de fase van het uitgezonden licht, die de locatie van de fluorescerende zenders verbergt.

Het samenwerkende team gebruikte een strategie die coherente lichtverstrooiing nabootst in een beeld van onsamenhangende lichtemissie, door verschillen in de fase van ruimtelijk coherente bundels om te zetten in een temporele variatie van de emissie van fluorescerend licht. Met behulp van een ruimtelijke en temporele modulatie van het verlichtingslicht, samen met een wiskundig model van de signaalvorming, het team creëerde een 3D-model met een hogere resolutie door computationele inversie van de gegevens.

Het proces bootst het behoud van coherente oscillatie van licht in het verstrooiingsproces na, terugkerende metingen van de precieze locatie en helderheid van objecten die onsamenhangend licht uitstralen.

"We hebben een reeks gevormd licht die we gebruiken om het object te verlichten en dan meten we eenvoudig de kracht van de fluorescentie die uit het object komt. Deze gegevens, in combinatie met een wiskundig model, stellen ons in staat om de 3D-verdelingen van moleculen, " zei Bartels. "Dit proces bootst coherente verstrooiing na, net als echografie."

Wiskunde en optica combineren om modellen te maken

Het nemen van al die metingen van licht geeft gegevens, maar het is alleen nuttig als het juiste model kan worden gebouwd om het te interpreteren.

CAT-scans en MRI's gebruiken vergelijkbare wiskundige modellen om gegevens te nemen die laagdimensionale representaties van het object zijn om een ​​gedetailleerd 3D-beeld te bouwen. Om onsamenhangend licht te gebruiken om een ​​3D digitaal model te maken, is een nieuwe wiskundig gestuurde strategie nodig.

Dat is waar professor Ali Pezeshki op het gebied van elektrotechniek en computertechniek om de hoek komt kijken.

Met behulp van gegevens van de totale vermogensmetingen van gevormd licht dat uit een fluorescerend object komt, Pezeshki's wiskundige modellen zorgen ervoor dat ruis wordt beheerd en dat waardevolle informatie niet wordt begraven. De driedimensionale verdelingen van moleculen kunnen dan worden verzameld alsof ze coherent zijn.

Synergetische samenwerking

Dit werk is een van de hoogtepunten van een productieve multidisciplinaire samenwerking tussen de groep van Bartels en de groep Squier van de Colorado School of Mines.

"Het wordt een synergetische samenwerking, " zei Bartels. "Het moet een gesprek zijn tussen mensen met verschillende expertises om de beperkingen van de verschillende domeinen te begrijpen."

Sinds 2016, de groepen hebben meegewerkt aan bijna een dozijn gepubliceerde publicaties, terwijl er meer wordt geschreven. De interdisciplinaire inspanningen van de wiskunde, wetenschap, en engineering stellen hen in staat om de grenzen van optische beeldvorming te verleggen met toepassingen van geavanceerde productie tot neurowetenschappen.

"Studenten krijgen problemen echt te zien vanuit de verschillende perspectieven van Randy, Jeff Veld, Ali en ik, " zei Squier. "We hebben vooruitgang geboekt op het gebied van beeldvorming, ik vermoed dat niemand van ons dit had voorzien totdat we deze samenwerking lanceerden en nu toepassen op domeinen die we ons eerder niet hadden voorgesteld."