«Оптическая микроскопия была незаменимым инструментом для изучения трехмерных сложных биологических систем и процессов», — объясняет Шэн Сяо, член исследовательской группы из Бостонского университета. «Однако наша новая мультифокусная техника позволяет наблюдать за живыми клетками и организмами с высокой скоростью и с высоким контрастом».
Главная отличительная особенность нового метода, что этот подход можно просто добавить к большинству существующих систем и легко воспроизвести. Это сделает разработку доступной для других исследователей.
Захват многофокусных изображений
Стандартные системы микроскопии на базе камер получают четкие изображения в одной фокальной плоскости. Хотя исследователи пробовали различные стратегии одновременного получения изображений с разной глубиной фокусировки, эти подходы обычно требуют использования нескольких камер. Или, например, использования специального дифракционного оптического элемента для разделения (ДОЭ) для создания изображения с помощью одной камеры. Обе стратегии сложны, а ДОЭ вообще непросто.
Дифракционные оптические элементы –– это оптические подложки с амплитудными и/или фазовыми дифракционными структурами на одной из поверхностей, рассчитанные с помощью компьютера и изготовленные методом прецизионной лазерной или электронно-лучевой литографии.
Ученые использовали призму с z-делителем луча. Ее можно полностью собрать из стандартных компонентов и легко применять для различных методов визуализации. Например, при флуоресценции, фазово-контрастной микроскопии или визуализация темного поля.
Призма разделяет обнаруженный свет для одновременного получения нескольких изображений в одном кадре камеры. Каждое изображение в образце сфокусировано на разной глубине. Использование высокоскоростной камеры с большой площадью сенсора и большим количеством пикселей позволило исследователям распределять несколько изображений с высоким разрешением на одном сенсоре.
Мультифокальные изображения, полученные с помощью новой техники, позволяют оценить расфокусированный фон образца гораздо точнее, чем это можно сделать с одним изображением. Исследователи использовали эту информацию для разработки улучшенного алгоритма удаления размытости в трехмерном пространстве. Он устраняет расфокусированный фоновый свет, который часто является проблемой при использовании широкоугольной микроскопии.
«Наш расширенный алгоритм удаления размытости трехмерного изображения подавляет фон, находящийся далеко не в фокусе, от источников, выходящих за рамки объема изображения, — объясняет Сяо. «Это улучшает как контраст изображения, так и отношение сигнала к шуму, что делает алгоритм особенно полезным при флуоресцентной визуализации с использованием толстых образцов».
Доказанная универсальность
Исследователи продемонстрировали новую технику с помощью широко используемых методов микроскопии. Они сделали трехмерные изображения с большим полем зрения, охватывающие сотни нейронов или целых свободно движущихся организмов. Также эксперты создали высокоскоростные трехмерные изображения ресничек коловраток, которые двигаются каждую сотую долю секунды. Этот эксперимент наглядно показал возможности нового метода получения высококачественных трехмерных изображений.
Чтобы продемонстрировать возможности расширенного алгоритма удаления размытости трехмерного изображения, исследователи визуализировали различные толстые образцы, включая мозг живой мыши. Они отметили значительное улучшение контраста и отношения сигнал/шум. В настоящее время исследователи работают над расширением этой техники, чтобы она могла работать с еще большим количеством методов визуализации.
Читать также
Годовая миссия в Арктике закончилась, и данные неутешительны. Что ждет человечество?
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком
Ученые выяснили, почему дети являются самыми опасными переносчиками COVID-19