Ученые Юго-Западного университета Калифорнии совместно с коллегами из Англии и Австралии создали и протестировали новое оптическое устройство, которое преобразует широко используемые микроскопы в многоугольные проекционные системы визуализации. Изобретение, описанное в статье в сегодняшнем Методы природы По словам исследователей, это может открыть новые возможности в передовой микроскопии.

"Это совершенно новая технология, хотя теоретические основы для нее можно найти в старой литературе по информатике", - говорит автор-корреспондент Рето Фиолка, доктор философии. Он и соавтор Кевин Дин, доктор философии, являются доцентами клеточной биологии и кафедры биоинформатики Лиды Хилл в Калифорнийском университете. Юго-западный.

"Это как если бы вы держали биологический образец рукой, поворачивали его и осматривали, что является невероятно интуитивным способом взаимодействия с образцом. Быстро визуализируя образец с двух разных точек зрения, мы можем интерактивно визуализировать образец в виртуальной реальности "на лету", - говорит Дин, директор инновационной лаборатории микроскопии UTSW, которая сотрудничает с исследователями по всему кампусу для разработки пользовательских инструментов, использующих достижения в области световой микроскопии.

В настоящее время получение информации о 3D-изображении с помощью микроскопа требует интенсивного процесса обработки данных, в ходе которого сотни 2D-изображений образца собираются в так называемый стек изображений. Исследователи объясняют, что для визуализации данных стек изображений затем загружается в графическое программное обеспечение, которое выполняет вычисления для формирования двумерных проекций с разных точек зрения на экране компьютера.

"Эти два шага требуют много времени, и для взаимодействия с данными может потребоваться очень мощный и дорогой компьютер", - говорит Фиолка.

Команда поняла, что она может формировать проекции под разными углами с помощью оптических средств, минуя необходимость получения стеков изображений и их рендеринга с помощью компьютера. Это достигается с помощью простого и экономичного устройства, состоящего из двух вращающихся зеркал, которое устанавливается перед камерой микроскопической системы.

"В результате мы можем делать все это в режиме реального времени, без какой-либо заметной задержки. Удивительно, но мы можем смотреть под разными углами "вживую" на наши образцы, не поворачивая образцы или микроскоп", - говорит Фиолка. "Мы считаем, что это изобретение может представлять собой новую парадигму для получения 3D-информации с помощью флуоресцентного микроскопа".

Это также обещает невероятно быструю визуализацию. В то время как для полного набора 3D-изображений могут потребоваться сотни кадров с камеры, новый метод требует только одной экспозиции камеры.

Первоначально исследователи разработали систему с двумя обычными световыми микроскопами, которые требуют этапа постобработки для осмысления данных. Этот шаг называется устранением перекоса и, по сути, означает перестановку отдельных изображений для устранения некоторых искажений стека 3D-изображений. Первоначально ученые стремились выполнить это устранение перекоса оптически.

Экспериментируя с методом оптического устранения перекоса, они поняли, что когда они использовали неправильную величину "уменьшения перекоса", проецируемое изображение, казалось, вращалось.

"Это было ага! момент. Мы поняли, что это может быть нечто большее, чем просто оптический метод устранения перекосов; что система может работать и для других видов микроскопов", - сказал Фиолка.

"Это исследование подтверждает, что концепция является более общей", - говорит Дин. "Теперь мы применили его к различным микроскопам, включая конфокальную микроскопию со световым листом и вращающимся диском".

Используя новый метод микроскопа, они изобразили ионы кальция, передающие сигналы между нервными клетками в чашке для культивирования, и посмотрели на сосудистую сеть эмбриона рыбки Данио. Они также быстро изобразили раковые клетки в движении и бьющееся сердце рыбки Данио.