I ricercatori del National Institutes of Health e dell'Università di Chicago hanno migliorato la velocità, risoluzione, e l'efficienza luminosa di un microscopio ottico passando da un vetrino coprioggetto convenzionale a uno riflettente, vetrino coprioggetto specchiato e applicando nuovi algoritmi informatici per elaborare i dati risultanti.

Hari Shroff, dottorato di ricerca, capo della sezione di laboratorio dell'Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria sull'imaging ottico ad alta risoluzione (HROI), e il suo team hanno trascorso gli ultimi anni a sviluppare microscopi ottici che producono immagini ad alta risoluzione a velocità molto elevate. Dopo che il suo laboratorio ha sviluppato questi nuovi microscopi, rilasciano i piani e il software gratuitamente, quindi qualsiasi ricercatore può replicare i progressi fatti al NIH.

Questo ultimo microscopio si basa sui precedenti miglioramenti che il laboratorio di Shroff aveva apportato con la microscopia a illuminazione selettiva sul piano (SPIM). Gli sviluppi sono descritti in un documento pubblicato il 13 novembre, 2017, nell'edizione online anticipata di Comunicazioni sulla natura . I sistemi SPIM si differenziano dai microscopi tradizionali perché utilizzano fogli leggeri per eccitare il campione, solo esponendo alla luce il piano campione ripreso. Poiché solo la parte del campione sottoposto a imaging (piuttosto che l'intero campione) è esposta alla luce, c'è meno danno complessivo per il campione. Così, I sistemi SPIM sono più delicati dei microscopi tradizionali.

Nel 2013, Shroff e il suo collega nel laboratorio HROI, Yicong Wu, ha sviluppato il diSPIM, un sistema SPIM dotato di due lenti in modo da ottenere due visualizzazioni del campione anziché una sola. Proprio come l'uso di due occhi fornisce una profondità e una percezione tridimensionale molto migliori rispetto all'utilizzo di un solo occhio, il microscopio a doppia visualizzazione consente l'imaging 3D con chiarezza e risoluzione molto maggiori rispetto all'imaging a visualizzazione singola tradizionale. Nel 2016, hanno aggiunto una terza lente, dimostrando che questa visualizzazione aggiuntiva può migliorare ulteriormente l'efficienza della luce e la risoluzione nell'imaging 3D.

"Una volta incorporati tre obiettivi, abbiamo scoperto che diventava sempre più difficile aggiungere altro, " disse Shroff. "Non perché abbiamo raggiunto il limite delle nostre capacità computazionali, ma perché abbiamo esaurito lo spazio fisico."

Le lenti utilizzate per l'immagine dei campioni sono ingombranti e devono essere vicine ai campioni per visualizzare chiaramente la struttura subcellulare dettagliata all'interno di una singola cellula o lo sviluppo neuronale all'interno di un embrione di verme. Lo spazio intorno al campione diventa sempre più limitato con ogni lente aggiuntiva.

La soluzione di Wu e Shroff era concettualmente semplice e relativamente a basso costo. Invece di cercare di trovare modi per inserire più obiettivi, usano vetrini coprioggetto specchiati.

"È un po' come guardarsi allo specchio, " Shroff ha spiegato. "Se guardi una scena in uno specchio, è possibile visualizzare prospettive altrimenti nascoste. Abbiamo usato questo stesso principio con il microscopio. Possiamo vedere il campione convenzionalmente usando le solite viste abilitate dalle lenti stesse, mentre allo stesso tempo registra le immagini riflesse del campione fornite dallo specchio."

Una complicazione è che sia la vista convenzionale che quella riflessa contengono uno sfondo indesiderato generato dalla sorgente di luce. Per affrontare questo problema, Wu e Shroff hanno collaborato strettamente con il gruppo di Patrick La Riviere all'Università di Chicago. La Riviere è un esperto di immagini computazionali, e ha aiutato il team a creare un software di elaborazione del computer in grado di identificare e rimuovere lo sfondo indesiderato e chiarire l'immagine.

Utilizzando i coprioggetto specchiati in combinazione con il software del computer, il team è stato in grado di raddoppiare la velocità e quasi raddoppiare la risoluzione rispetto ai sistemi diSPIM convenzionali senza modificare l'hardware del microscopio. Un ulteriore vantaggio della tecnica è che con i coprioggetto specchiati, il microscopio è in grado di raccogliere più luce dal campione senza aumentare l'esposizione complessiva alla luce del campione. Di conseguenza, aumenta l'efficienza da due a tre volte rispetto a diSPIM. I ricercatori sperano che in futuro questa tecnica possa essere adattata ad altre forme di microscopia.