Online -omslagsfotografiet på Vetenskapliga framsteg denna vecka visar fluorescensavbildning med ett beräknat miniatyrmesoskop (CM ² ). Tekniken för fluorescensavbildning är ett viktigt verktyg för biologer och neurovetenskapare; dock, konventionella mikroskop och miniatyriserade mikroskop (miniskop) begränsas av produkt med begränsad rymdbandbredd-en mätning av informationskapaciteten för ett optiskt system, grunt skärpedjup och oförmåga att lösa tredimensionella (3-D) distribuerade sändare. För att övervinna befintliga gränser, Yujia Xue och ett team av forskare inom el- och datateknik, biologi, neurofotonik och biomedicinsk teknik vid Boston University, USA, utvecklat ett lätt och kompakt mesoskop som kallas det beräknade miniatyrmesoskopet (CM ² ).

Den nya plattformen integrerade en mikrolins för avbildning och en LED -array för excitation inom samma inställning. Enheten utförde enkelbilds 3D-avbildning och underlättade en 10-faldig synfältförstärkning och en 100-faldig skärpedjup, jämfört med befintliga miniskop. Xue et al. testade enheten med fluorescerande pärlor och fibrer tillsammans med fantomförsök för att mäta effekterna av bulkspridning och bakgrundsfluorescens. Teamet diskuterar det praktiska med detta mesoskop för breda tillämpningar inom biomedicin och 3D-neural inspelning.

Framstegsfluorescensmikroskopi

Fluorescensmikroskopi är en nyckelteknik inom grundläggande biologi och systemneurovetenskap. Den senaste tekniska utvecklingen syftar till att övervinna skalbarriärer för att undersöka enskilda neuroner med bara några mikron i storlek. Till exempel, makroskop, mesolensmikroskop och tvåfotonmikroskop har börjat överbrygga denna skala; dock, utvecklingen av sådana avbildningssystem begränsas av skalberoende geometriska aberrationer av optiska element. Det uppnåbara synfältet (FOV) begränsas också av systemets grunda skärpedjup i många bioimaging -applikationer. Forskare är också inriktade på att miniatyrisera tekniken för att möjliggöra in vivo -avbildning i fritt uppförande djur. Till exempel, miniatyriserade mikroskop som kallas "miniskop" har fått oöverträffad tillgång till neurala signaler, även om systemen förblir begränsade av sin optik, ungefär som deras fluorescensmikroskopi -motsvarigheter. Xue et al. introducerade och demonstrerade därför ett beräknat miniatyrmikroskop (CM ² ) med storskalig, 3D-fluorescensmätningar på en kompakt, lätt plattform.

Teamet använde enkel optik i installationen för att åstadkomma förbättringar av produktutrymme-bandbredd (SBP) och 3D-avbildning utan att behöva mekanisk skanning. Tekniken kringgick de fysiska gränserna för den integrerade optiken genom att gemensamt designa hårdvaran och algoritmen. CM ² bildmetod kombinerade flera olika funktioner i mikroskopisk bildbehandling, såsom integrerad avbildning, ljusfältmikroskopi och kodad bländaravbildning. I sin verkningsmekanism, Mikroskopet samlade in en enda 2-D-mätning med hjälp av en mikrolensmatris (MLA) för efterföljande beräkningsmässig rekonstruktion av 3D-fluorescensfördelningen.

CM ² använde mikrolinsmatrisen som det enda avbildningselementet och tillät installationen att övervinna de synfältgränser (FOV) -gränser som tillämpas av objektivlinsen för konventionella mikroskop. CM ² algoritm löste 2-D-till-3-D-avvecklingsproblemet för att tillhandahålla djuplösta rekonstruktioner. Xue et al. förklarade principen för CM ² enkelbilds 3D-avbildningskapacitet genom att dra en analogi till frekvensdelningsmultiplexering (FDM). Teamet kvantifierade sedan uppnådd upplösning av CM ² genom att beräkna systemets 3D-moduleringsöverföringsfunktion (MTF) och analysera lateral upplösning.

Xue et al. approximerade bildbildningen av CM ² installation med hjälp av en skivvis skift-invariant modell. De kännetecknade upplösningen och lateral skiftvarians för installationen före experimentell avbildning och avbildade ett fluorescerande upplösningsmål för att validera den laterala upplösningen för CM ² . De validerade observationerna med hjälp av Zemax-simulerade mätningar för att hitta en bra överensstämmelse mellan simuleringarna och experimenten. Den nya plattformen gjorde det möjligt för forskarna att lokalisera fluorescerande emitter fördelade över en stor volym. De testade prestanda för CM ² på prover med en funktionsstorlek som liknar en enda neuron. Under dessa experiment, CM ² algoritmen var tolerant mot signalnedbrytningar såsom minskade signal-brusförhållanden för att möjliggöra högkvalitativ, rekonstruktion av hela synfältet. Teamet jämförde CM ² rekonstruktion och en axiell stapel som förvärvats av en objektivlins för att demonstrera noggrannheten i enkelskottslokalisering av enskilda partiklar.

Experiment på fluorescerande fibrer på en krökt yta och på kontrollerade spridningsfantomer.

Forskarna testade sedan förmågan att avbilda komplexa volymetriska fluorescerande prover på fluorescerande fibrer spridda på en 3D-tryckt krökt yta, efterlikna ytprofilen för en musbark, spänner över ett brett synfält och ett utökat djup. Algoritmen återställde i fokus fokusstrukturerna och löstes för 3D-objektet, samtidigt som de flesta enskilda fibrerna löses. Teamet genomförde vidare experiment på åtta avbildningsfantomer för att testa prestanda för CM ² under bulkspridning och stark bakgrundsfluorescens. Under försöken, de utsäde alla fantomer med samma koncentration av målfluorescerande partiklar och krediterade skillnaderna i rekonstruktion till bulkspridning och bakgrundsfluorescens. Teamet inkluderade sedan 1,1 µm bakgrundsfluorescerande partiklar för att efterlikna olösliga fluorescerande källor som vanligen ses på biologiska prover; såsom neutropiler i hjärnan. De kvantifierade spridningsnivån för varje fantom, utförde 3-D rekonstruktion för varje spridande fantom och utförde alla deconvolutions med samma beräkningsinställning. Det uppskattade rekonstruktionsdjupsområdet varierade med ytvariationer i varje fantom.

På det här sättet, Yujia Xue och kollegor utvecklade ett nytt miniatyriserat fluorescensavbildningssystem för att möjliggöra enstaka mesoskopisk 3D-avbildning. Beräkningsminiatyrmesoskopet (CM ² ) metodintegrerad fluorescensavbildning och excitationsmodulerna på samma kompakta plattform. Teamet presenterade simuleringarna och experimenten för att fastställa verkningsmekanismen och 3D-avbildningskapaciteten hos CM ² . De simulerade hjärnövergripande avbildning av kärlnätverk och de primära resultaten var lovande. CM ² prototyp är ännu inte jämförbar med huvudmonterade in vivo-applikationer (på djurmodeller) i neurovetenskapliga laboratorier, även om teamet tänker sig att optimera enheten för full-kortikal in vivo-avbildning i fritt rörliga möss. Bildenheten kan förbättras ytterligare med ytterligare utveckling av hårdvara och algoritmer för att öppna nya och spännande möjligheter inom in vivo neural inspelning och biomedicinska applikationer.

© 2020 Science X Network