Svar på stora frågor kräver alltmer tillgång till de allra små.

När forskare fortsätter att skjuta gränserna för bildbehandling, en forskare vid Washington University i St. Louis har avslöjat ett grundläggande hinder för noggrannhet när det gäller att mäta molekylernas rotationsrörelse.

Matthew Lew, professor i el- och systemteknik vid McKelvey School of Engineering, liknar konsekvensen av denna barriär mot något många känner till.

"När du tittar på din sidospegel i bilen, det finns en ansvarsfriskrivning:föremål är närmare än de verkar, "sa Lew, vars forskning publicerades i Fysiska granskningsbrev , flaggskeppspublikationen för American Physical Society.

"Vi har funnit att objekt i mikroskopet är mindre begränsade än de verkar. Fluorescerande molekyler verkar alltid vara mer begränsade i rotationsfrihet än de faktiskt är, "Sa Lew.

Denna avvikelse är ett resultat av mätbrus.

Detta är viktigt eftersom molekyler inte är släta, runda bollar som rör sig längs raka banor, stöta på varandra och hålla ihop - de har en slags topografi. Detta är avgörande för kemiska och biologiska reaktioner:"Det måste finnas rätt matchning av fickor och bindande motiv, "Sa Lew. Pusselbitarna, det är, måste matcha och ansluta för att reaktioner ska kunna inträffa.

Förutom att flytta i tre dimensioner, molekyler roterar också, som en boll som rullar ner på en ojämn yta vinglar de, vrida, och snurra åt alla håll. Forskare måste se både det raka, translationell rörelse och spinning, rotationsrörelse för att förstå hur molekyler interagerar.

För att se någonting, dock, en avbildningsenhet måste fånga ljus som avges från det fluorescerande objektet. När det gäller dessa små bitar av materia, det kan betyda ett relativt litet antal fotoner.

Gränsen Lew har upptäckt handlar om ljus:Om objektet som avbildas är för svagt, det kommer att verka roterande begränsat och se ut som att det har mindre rotationsrörelse än det faktiskt gör. Som en snurrande fläkt, en roterande molekyl ska se slät ut - som de suddiga bladen. Men om fläkten är svagt upplyst, knivarna kommer inte att se helt släta ut och kommer istället att se ut att "stamma". Därför, de verkar rotera mindre än de faktiskt är. (Den bakomliggande fysiken för fläktanalogin är annorlunda än för bildmolekyler, dock).

"Om en molekyl var helt fri att rotera, det skulle se ut som en slät boll, "Sa Lew." Bollen kan aldrig vara jämn om det är buller ovanpå den. Det bullret, den grovheten får det att se ut som bollen som består av en molekyl som inte är helt fri att rotera. "

Det ljudet är ett resultat av ljus. Att avbilda något så litet som en molekyl handlar om ett litet antal fotoner. Ta fotografier av dessa fotoner, en mycket liten mängd ljus, faller inom kvantevärldens rike. Ett sådant fotografi kan aldrig bli helt smidigt, eftersom den består av ett begränsat antal fotoner. Att ta ett foto med bara några fotoner ger en suddig eller bullrig bild - som att ta ett fotografi på natten.

Att försöka fånga rotationsrörelsen under det ljudet liknar att blinka ett stroboskopljus framför en fläkt i rörelse - den resulterande bilden missar en del av rörelsen, få det att verka som om molekylen är mer återhållsam än den faktiskt är:

Ofta, forskare kommer att genomsnittliga flera bilder för att minska effekten av brus, men i det här fallet, genomsnittliga bullriga bilder ger inte ett korrekt resultat. "Detta är ett grundläggande fysikproblem, "Sa Lew.

Hans forskning har tagit fram den nedre gränsen - den mörkaste en molekyl kan vara - varefter det i grunden är omöjligt att avgöra om ett objekt som ser ut som om det är delvis fixerat på plats verkligen är, eller om den faktiskt roterar fritt men störs av buller.

Dessutom, forskningen visade att forskare måste välja noggrant mellan att använda metoder som mäter 2-D-rotation kontra 3D-rotation, eftersom dessa tekniker faktiskt uppfattar samma rotationsrörelse annorlunda, möjligen leder till olika tolkningar.

Oavsett bildteknik, dock, osäkerheten orsakad av buller kvarstår.

Forskningen handlar inte helt om osäkerhet. "Vi kan använda simuleringar för att modellera dessa gränser och ta reda på vad deras effekter är i vår avbildning av enstaka molekyler, "Sa Lew, "och införliva denna kunskap i bildbehandlingsalgoritmer."

I grunden fastän, matematiken säger att vid en viss tidpunkt, det finns inget sätt att skilja mellan något som roterar helt och något som är delvis begränsat.

"Men åtminstone, "Sa Lew, "Vi vet nu var den gränsen går."

Varför bildforskning spelar roll

Bildforskning spelar roll i kampen mot många sjukdomar. Vid amyloidsjukdom, som Alzheimers, till exempel, vissa proteiner som amyloid beta och tau kommer att klumpa ihop sig och orsaka trassel i hjärnan. Innan det händer, innan det finns några symptom, individuella kopior av dessa proteiner rör sig runt i cellen.

"Vi vet inte vad de gör, "sa Lew." Ibland kommer de att anta någon form av form som får dem att aggregera, "dessa sammanslagningar kan signalera de tidigaste stadierna av sjukdomen.

"Vi skulle vilja förstå vad som gör att de enskilda proteinerna förändras från att bara floppa runt, inte orsakar några skadliga effekter, till en konformation som inleder det första stadiet av sjukdomsprogression. "