Создан новый высокоскоростной двухфотонный микроскоп для сверхточных биологических изображений

В будущем новая экспериментальная конструкция TPM позволит фиксировать быстрые биологические процессы и может значительно улучшить наше понимание их.

Объединив два режима лазерного сканирования, исследователи разработали универсальную систему двухфотонной микроскопии, которую можно использовать для наблюдения за чрезвычайно быстрыми биологическими процессами с высокой частотой кадров и пространственным разрешением. 

Двухфотонная микроскопия (two-photon microscopy, TPM) произвела революцию в области биологии, позволив исследователям наблюдать сложные биологические процессы в живых тканях с высоким разрешением. В отличие от традиционных методов флуоресцентной микроскопии, TPM использует низкоэнергетические фотоны для возбуждения флуоресцентных молекул для наблюдения. Это, в свою очередь, позволяет проникать в ткань намного глубже и гарантирует, что флуоресцентные молекулы или флуорофоры не будут постоянно повреждены возбуждающим лазером.

Однако некоторые биологические процессы происходят слишком быстро, чтобы зарегистрировать их даже с помощью самых современных TPM. Есть один из конструктивных параметров, ограничивающих производительность TPM — частота строчной развертки, измеряемая в кадрах в секунду (frames per second, FPS). Это относится к скорости, с которой образец-мишень можно просканировать лазером в одном направлении (например, при горизонтальной прокрутке). Низкая частота сканирования также влияет на общий FPS системы, поскольку определяет, насколько быстро лазер перемещается в другом направлении, т. е. в вертикальном направлении. Вместе они создают компромисс между временным разрешением микроскопа и размером кадра наблюдения.

Чтобы решить эту проблему, международная группа исследователей из Китая и Германии разработала мощную установку TPM с беспрецедентно высокой частотой линейного сканирования. Согласно отчету, опубликованному в журнале Neurophotonics, эта система микроскопии была разработана для визуализации быстрых биологических процессов с высоким временным и пространственным разрешением.

Одним из ключевых факторов, отличающих предлагаемые TPM от традиционных, является использование акустооптических дефлекторов (acousto-optic deflectors, AOD) для управления сканированием возбуждающего лазера. AOD — это особый тип кристалла, показатель преломления которого можно точно контролировать с помощью акустических волн, перенаправляя через него лазерный луч. Также они обеспечивают более быстрое лазерное управление, чем это достигается с помощью гальванометров, используемых в обычных TPM.

Соответственно, ученые разработали специальный AOD, используя кристалл диоксида теллура (TeO2), достигнув высокой частоты линейного сканирования. С этим кристаллом лазер сканировал строку в кадре всего за 2,5 микросекунды, что соответствует максимальной частоте сканирования строки 400 кГц. Точно так же исследователи использовали AOD для достижения разумной низкой частоты сканирования в другом направлении.

Объединив два режима лазерного сканирования, исследователи разработали универсальную систему двухфотонной микроскопии, которую можно использовать для наблюдения за чрезвычайно быстрыми биологическими процессами с высокой частотой кадров и пространственным разрешением. Авторы и права: Нейрофотоника (2023 г.) DOI: 10.1117/1.NPh.10.2.025006

Чтобы еще больше улучшить адаптируемость микроскопа, ученые добавили возможность переключения на механизм лазерного сканирования на основе гальванометра, когда это необходимо. Это позволило сканировать большие области образца с приемлемым разрешением и скоростью, упрощая поиск небольших областей интереса перед переключением на сканирование AOD.

Команда провела несколько экспериментов по проверке концепции с недавно разработанным TPM. Так, им удалось точно измерить скорость распространения кальция в дендритах нейронов мозга мышей, а также визуализировать траекторию отдельных эритроцитов в кровеносных сосудах.

Читать далее:

Форма Млечного Пути совсем не такая, как мы считали все это время, выяснили ученые

Две суперземли нашли на краю обитаемой зоны: на одной из них комфортная температура

Найдена черная дыра, которая уничтожает звезду рекордно близко к Земле

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Астрономы сфотографировали «детство Вселенной» до появления галактик
Космос
Прощальные кадры: лунный модуль сфотографировал закат на Луне
Наука
Гены загадочных предков людей повлияли на работу мозга, показало исследование
Наука
В Петербурге открыли лабораторию для создания компьютеров, которые имитируют работу мозга
Наука
Телескоп «Евклид» показал 26 млн галактик: опубликованы первые результаты миссии
Космос
Крошечных морских животных увеличили в пять раз, чтобы рассмотреть их клетки
Наука
В Сеченовском Университете появится «умная» операционная 
Новости
Операторы связи начали заменять китайское оборудование на российское
Новости
В России хотят обязать использование отечественных процессоров для ИИ
Новости
Посмотрите на первого робота-гуманоида Nvidia в действии
Новости
Образцы с обратной стороны Луны показали, какой она была в прошлом
Космос
Морские интернет-кабели научились «прослушивать» на предмет саботажа
Новости
Нового рекорда на термоядерном синтезе добились в России
Наука
Российские ученые разработали материалы для памяти будущего  
Наука
Выяснилось, какие мутации ДНК ускоряют старение  
Наука
«Суперджет» с российскими двигателями ПД-8 впервые поднялся в воздух
Новости
Светочувствительные нановолокна ускорили рост нейронов  
Наука
ChatGPT может «заболеть» тревожностью и депрессией, но есть способ его «успокоить»  
Новости
Москва сократила выбросы углерода на 190 000 тонн благодаря электробусам  
Новости
Игуаны совершили рекордное путешествие миллионы лет назад: они проплыли по океану 8 000 км
Наука