Forskare har utvecklat ett sätt att förbättra bildhastigheten för tvåfotonmikroskopi upp till fem gånger utan att kompromissa med upplösningen. Denna rekordsnabba bildhastighet gör det möjligt för forskare att observera biologiska fenomen som tidigare var för flyktiga för att kunna föreställa sig med nuvarande toppmodern avancerad mikroskopi.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskare under ledning av Shih-Chi Chen från The Chinese University of Hong Kong beskriver hur de kombinerade en beräkningsmetod som kallas komprimerad bildbehandling med en snabbare skanningsmetod. De använde den nya metoden för att förvärva tvåfotonmikroskopibilder av ett pollenkorn på mindre än en sekund. Detta skulle ta fem gånger så lång tid med den traditionella metoden.

"Den här nya kompressionsavkänningsbaserade tvåfotonmikroskopimetoden kommer att vara användbar för att visualisera ett neuralt nätverk eller övervaka aktivitet från hundratals neuroner samtidigt, "sa Chenyang Wen, tidningens första författare. "Vanligtvis, neuroner överför signaler på en tidsskala på 10 millisekunder, som konventionella system är för långsamma att följa. "

Snabbare skanning

Två-fotonmikroskopi fungerar genom att leverera ultrasnabba pulser av infrarött laserljus till provet där det interagerar med vävnad eller fluorescerande etiketter som avger signaler som används för att skapa en bild. Det används i stor utsträckning för biologisk forskning på grund av dess förmåga att producera högupplösta, 3D-bilder upp till ett millimeters djup. Dessa fördelar, dock, har en begränsad bildhastighet eftersom förhållandena i svagt ljus kräver punktdetektorer som kräver bildtagning och rekonstruktion punkt för punkt.

För att påskynda bildbehandling, forskarna har tidigare utvecklat en multi-focus laserbelysningsmetod som använder en digital mikromirror-enhet (DMD), en typ av billiga ljusskannrar som vanligtvis används i projektorer. "Man trodde att dessa DMD inte kunde fungera med ultrasnabba lasrar, "sa Chen." Men vi behandlade nyligen denna fråga, vilket har möjliggjort tillämpning av DMD i ultrasnabba laserapplikationer som inkluderar strålformning, pulsformning, snabb skanning och tvåfotonavbildning. "

DMD genererar fem till 30 punkter fokuserat laserljus på slumpmässigt utvalda platser inom ett prov. Positionen och intensiteten för varje ljuspunkt styrs av ett binärt hologram som projiceras på enheten. Under varje mätning, DMD återflödar hologrammet för att ändra positionen för varje fokus och registrerar intensiteten hos tvåfotonfluorescensen med en en-pixeldetektor. Fastän, på många sätt, DMD-multifokusskanning är mer flexibel och snabbare än traditionell rasterskanning, hastigheten är fortfarande begränsad av den hastighet med vilken enheten kan bilda ljusmönster.

Att kombinera metoder ger snabbare avbildning

I det nya arbetet, forskarna ökar bildhastigheten ytterligare genom att kombinera multifokusskanning med komprimerad avkänning. Detta beräkningssätt möjliggör bildrekonstruktion med färre exponeringar eftersom det utför provtagning och bildkomprimering i ett enda steg och sedan använder en algoritm för att fylla i den saknade informationen. För tvåfotonmikroskopi, det gör att ett exemplar kan rekonstrueras med 70 till 90 procent färre exponeringar än traditionella metoder.

Efter att ha genomfört ett simuleringsexperiment för att demonstrera den nya metodens prestanda och för att identifiera optimala parametrar, forskarna testade det med två-foton avbildningsexperiment. Dessa experiment demonstrerade teknikens förmåga att producera högkvalitativa 3D-bilder med höga bildhastigheter från alla synfält. Till exempel, de kunde få bilder från fem lager i ett pollenkorn, med varje lager som mäter 100 × 100 pixlar, på bara. 55 sekunder. Samma bilder tagna med rasterskanning tog 2,2 sekunder.

"Vi uppnådde en förbättring av bildhastigheten 3 till 5 gånger utan att offra upplösningen vid avbildning av godtyckligt utvalda regioner i 3D-prover, "sa Wen." Vi tror att detta nya kompressionsavkänningsbaserade tillvägagångssätt kommer att vara användbart att använda med metoder som optogenetik där ljus används för att styra neuroner och kommer att leda till nya upptäckter inom biologi och medicin. "

Forskarna arbetar för att ytterligare förbättra hastigheten på rekonstruktionsalgoritmen och bildkvaliteten. De planerar också att använda DMD -plattformen med andra avancerade bildtekniker som vågfrontskorrektion, vilket möjliggör avbildning av djupa vävnader.