Forskare från National Institutes of Health och University of Chicago förbättrade hastigheten, upplösning, och ljuseffektivitet för ett optiskt mikroskop genom att byta från ett konventionellt täckglas till ett reflekterande, speglat täckglas och tillämpa nya datoralgoritmer för att bearbeta den resulterande informationen.

Hari Shroff, Ph.D., chef för National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering labsektion om High Resolution Optical Imaging (HROI), och hans team har de senaste åren utvecklat optiska mikroskop som ger högupplösta bilder med mycket hög hastighet. Efter att hans laboratorium utvecklat dessa nya mikroskop, de släpper planerna och programvaran gratis, så att alla forskare kan replikera de framsteg som gjorts vid NIH.

Detta senaste mikroskop bygger på tidigare förbättringar som Shroffs lab hade gjort med selektiv planbelysningsmikroskopi (SPIM). Utvecklingen beskrivs i ett papper publicerat 13 november, 2017, i förhand onlineutgåvan av Naturkommunikation . SPIM -system skiljer sig från traditionella mikroskop eftersom de använder ljusark för att excitera provet, exponerar bara det avbildade provplanet för ljus. Eftersom endast den del av provet som avbildas (snarare än hela provet) exponeras för ljus, det är mindre total skada på provet. Således, SPIM -system är skonsammare än traditionella mikroskop.

Under 2013, Shroff och hans kollega i HROI -labbet, Yicong Wu, utvecklat diSPIM - ett SPIM -system utrustat med två linser så att det får två vyer av provet istället för bara en. Precis som att använda två ögon ger mycket bättre djup och tredimensionell uppfattning än att bara använda ett öga, Dual View-mikroskopet möjliggör 3D-avbildning med mycket större klarhet och upplösning än traditionell enkelbildsbildning. 2016, de lade till ett tredje objektiv, visar att denna ytterligare vy ytterligare kan förbättra ljuseffektiviteten och upplösningen vid 3D-bildbehandling.

"När vi väl införlivade tre linser, vi fann att det blev allt svårare att lägga till mer, "sa Shroff." Inte för att vi nått gränsen för våra beräkningsförmågor, men för att vi tog slut på det fysiska utrymmet. "

Linserna som används för att avbilda proverna är skrymmande och måste vara nära proverna för att tydligt avbilda den detaljerade subcellulära strukturen i en enda cell eller den neuronala utvecklingen i ett maskembryo. Utrymmet runt provet blir mer och mer begränsat för varje extra objektiv.

Wu och Shroffs lösning var konceptuellt enkel och relativt billig. Istället för att försöka hitta sätt att stoppa i fler linser, de använder speglade täckglas.

"Det är ungefär som att titta in i en spegel, "Shroff förklarade." Om du tittar på en scen i en spegel, du kan se perspektiv som annars är dolda. Vi använde samma princip med mikroskopet. Vi kan se provet konventionellt med de vanliga vyer som aktiveras av själva linserna, samtidigt som de reflekterade bilderna av provet som spegeln tillhandahåller inspelas. "

En komplikation är att både de konventionella och reflekterade vyerna innehåller en oönskad bakgrund som genereras av ljuskällan. För att hantera detta problem, Wu och Shroff samarbetade nära med Patrick La Rivières grupp vid University of Chicago. La Riviere är expert på beräknad bildbehandling, och hjälpte teamet att skapa datorbearbetningsprogramvara som kan identifiera och ta bort den oönskade bakgrunden och klargöra bilden.

Använda de speglade täckglasen tillsammans med datorprogramvaran, laget kunde förbättra hastigheten tvåfaldigt och nästan dubbla upplösningen i jämförelse med konventionella diSPIM-system utan att ändra mikroskopets hårdvara. En ytterligare fördel med tekniken är att med speglade täckglas, mikroskopet kan samla mer ljus från provet utan att öka den totala ljusexponeringen för provet. Som ett resultat, det ökar effektiviteten med två till tre gånger jämfört med diSPIM. Forskarna hoppas att denna teknik i framtiden kan anpassas till andra former av mikroskopi.