Forskare har utvecklat en ny plug-and-play-enhet som kan lägga till adaptiv optikkorrigering till kommersiella optiska mikroskop. Adaptiv optik kan avsevärt förbättra kvaliteten på bilder som tagits djupt in i biologiska prover, men har, tills nu, varit extremt komplicerad att genomföra.

"Att förbättra den teknologi som är tillgänglig för livsforskare kan främja vår förståelse av biologi, som kommer att, i tur och ordning, leda till bättre läkemedel och terapier tillgängliga för läkare, sa forskargruppsledaren, Paolo Pozzi från universitetet i Modena och Reggio Emilia i Italien.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , Pozzi och ett multidisciplinärt team av forskare från Delfts tekniska universitet (TU Delft), CNR-Institute for Photonics and Nanotechnology (CNR-IFL) och University Medical Center Rotterdam beskriver sin nya adaptiva linsenhet. De visar också hur det enkelt kan installeras på objektivet i ett kommersiellt multifotonmikroskop för att förbättra bildkvaliteten.

"Detta tillvägagångssätt kommer att möjliggöra avancerade optiska tekniker som multiphotonmikroskopi för att avbilda djupare under hjärnans yta i levande organismer, sa Stefano Bonora, gruppledare vid CNR-IFL. "Vi ser fram emot att se hur det också kan implementeras i andra system, såsom ljusarkmikroskop, superupplösningssystem, eller till och med enkla epifluorescensmikroskop."

Avbildning djupare

Optisk mikroskopi kan användas för att avbilda biologiska prover under naturliga förhållanden, gör det möjligt att observera olika biologiska processer över tid. Dock, när ljuset rör sig genom vävnad blir det förvrängt. Denna förvrängning blir värre när ljus färdas djupare in i vävnaden, får bilderna att se suddiga ut och döljer viktiga detaljer.

Adaptiv optik, en teknik som ursprungligen utvecklades för att kompensera för atmosfärisk turbulens när man använder teleskop för att se himlaobjekt, kan användas för att korrigera de optiska avvikelser som uppstår vid avbildning genom tjock vävnad. Dock, att göra det kräver vanligtvis att man bygger ett anpassat mikroskop som innehåller en deformerbar spegel. Denna spegel används för att kompensera för distorsionerna, skapa en bild som ser skarp och tydlig ut.

"Att inkludera en deformerbar spegel i ett befintligt mikroskop är nästan omöjligt, och inget kommersiellt adaptivt mikroskop är tillgängligt på marknaden ännu, ", sa Pozzi. "Detta betyder att det enda alternativet för en livsforskare att använda adaptiv optik är att bygga hela mikroskopet från grunden, en operation som är för svår och tidskrävande för de flesta biovetenskapslaboratorier."

Ett enklare tillvägagångssätt

För att förenkla denna inställning, forskarna skapade en smart lins gjord av glas så tunn att den kan böjas utan att gå sönder. Linsen består av en skivformad glasbehållare fylld med en transparent vätska. En uppsättning av 18 mekaniska ställdon på glasets kanter kan styras med en dator för att böja glaset till önskad form.

Linsen fungerar som den deformerbara spegeln som används i de flesta adaptiva optiska inställningar, men istället för att reflektera ljus, den sänder ljus. När ljus färdas genom vätskan inuti linsen, den förvrängs olika beroende på linsens form. "Detta liknar de förvrängda bilderna du ser när du tittar genom en flaska vatten medan du klämmer den med händerna, sa Bonora.

Att använda linsen för adaptiv optikkorrigering kräver en komplex algoritm för att styra ställdonen. "Effektiv optisk korrigering möjliggjordes av DONE-algoritmen (online-online-onlinear extremum-seeker), en mycket elegant lösning baserad på maskininlärning-liknande principer, som vi tidigare utvecklat vid TU Delft, sa Pozzi.

Snabba resultat

Forskarna testade den nya mjukvaran, som också görs tillgänglig för andra via github, och adaptiv lins genom att applicera den på objektivlinsen i ett kommersiellt multifotonmikroskop. De använde mikroskopet för att utföra kalciumavbildning på hjärnan på levande möss, ett av de mest komplexa biovetenskapliga experimenten som utförs med mikroskop.

"Vi överträffade våra förväntningar genom att uppnå mycket fina resultat inom några timmar, "sa Pozzi." Denna teknik kan eftermonteras på alla befintliga mikroskop som har utbytbara mål och visar bilder på en datorskärm. "

Forskarna testar nu systemet på andra typer av mikroskop och prover samtidigt som de undersöker om flera adaptiva linser kan användas för att uppnå en bättre korrigering än vad som är möjligt med mer komplexa tekniker som använder deformerbara speglar. Teamet har också grundat ett spin-off företag, Dynamic Optics srl, att kommersialisera de adaptiva linserna med flera aktivatorer.

Den nya linsen kan också vara användbar för tillämpningar utöver mikroskopi. "Vår nya enhet skulle också kunna användas inom andra områden som kommunikation med optik för ledigt utrymme, där det kan öka dataanslutningshastigheten och föra dataanslutningar till avlägsna och isolerade områden, sa Pozzi.