I ricercatori hanno sviluppato un modo per migliorare la velocità di imaging della microscopia a due fotoni fino a cinque volte senza compromettere la risoluzione. Questa velocità di imaging record consentirà agli scienziati di osservare fenomeni biologici che in precedenza erano troppo fugaci per essere visualizzati con l'attuale microscopia avanzata all'avanguardia.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori guidati da Shih-Chi Chen dell'Università cinese di Hong Kong descrivono come hanno combinato un approccio di imaging computazionale noto come imaging compressivo con un metodo di scansione più veloce. Hanno usato il nuovo metodo per acquisire immagini di microscopia a due fotoni di un granello di polline in meno di un secondo. Ciò richiederebbe cinque volte il tempo utilizzando l'approccio tradizionale.

"Questo nuovo metodo di microscopia a due fotoni basato sul rilevamento della compressione sarà utile per visualizzare una rete neurale o monitorare l'attività di centinaia di neuroni contemporaneamente, " disse Chenyang Wen, primo autore del saggio. "Tipicamente, i neuroni trasmettono segnali su una scala temporale di 10 millisecondi, quali i sistemi convenzionali sono troppo lenti da seguire."

Scansione più veloce

La microscopia a due fotoni funziona fornendo impulsi ultraveloci di luce laser infrarossa al campione dove interagisce con tessuti o etichette fluorescenti che emettono segnali utilizzati per creare un'immagine. È ampiamente utilizzato per la ricerca in biologia a causa della sua capacità di produrre ad alta risoluzione, Immagini 3D fino a una profondità di un millimetro. Questi vantaggi, però, sono dotati di una velocità di imaging limitata perché le condizioni di scarsa illuminazione richiedono rilevatori puntiformi che richiedono l'acquisizione e la ricostruzione punto per punto dell'immagine.

Per velocizzare l'imaging, i ricercatori hanno precedentemente sviluppato un metodo di illuminazione laser multifuoco che utilizza un dispositivo digitale a microspecchi (DMD), un tipo di scanner di luce a basso costo tipicamente utilizzato nei proiettori. "Si pensava che questi DMD non potessero funzionare con laser ultraveloci, " disse Chen. "Tuttavia, abbiamo recentemente affrontato questo problema, che ha consentito l'applicazione di DMD in applicazioni laser ultraveloci che includono la modellatura del raggio, formazione del polso, scansione veloce e imaging a due fotoni."

Il DMD genera da cinque a 30 punti di luce laser focalizzata su posizioni selezionate casualmente all'interno di un campione. La posizione e l'intensità di ogni punto luce sono controllate da un ologramma binario che viene proiettato sul dispositivo. Durante ogni misurazione, il DMD riflette l'ologramma per cambiare la posizione di ciascun fuoco e registra l'intensità della fluorescenza a due fotoni con un rivelatore a pixel singolo. Sebbene, in molti modi, La scansione multifuoco DMD è più flessibile e veloce rispetto alla scansione raster tradizionale, la velocità è ancora limitata dalla velocità con cui il dispositivo può formare schemi luminosi.

La combinazione di metodi consente di ottenere immagini più veloci

Nel nuovo lavoro, i ricercatori aumentano ulteriormente la velocità di imaging combinando la scansione multi-focus con il rilevamento della compressione. Questo approccio computazionale consente la ricostruzione dell'immagine con meno esposizioni perché esegue il campionamento e la compressione dell'immagine in un unico passaggio e quindi utilizza un algoritmo per inserire le informazioni mancanti. Per la microscopia a due fotoni, consente di ricostruire un campione utilizzando dal 70 al 90 percento di esposizioni in meno rispetto agli approcci tradizionali.

Dopo aver condotto un esperimento di simulazione per dimostrare le prestazioni del nuovo metodo e identificare i parametri ottimali, i ricercatori lo hanno testato con esperimenti di imaging a due fotoni. Questi esperimenti hanno dimostrato la capacità della tecnica di produrre immagini 3D di alta qualità con elevate velocità di imaging da qualsiasi campo visivo. Per esempio, sono stati in grado di acquisire immagini da cinque strati in un granello di polline, con ogni livello che misura 100 × 100 pixel, in soli 0,55 secondi. Le stesse immagini acquisite con la scansione raster hanno richiesto 2,2 secondi.

"Abbiamo ottenuto un miglioramento da 3 a 5 volte nella velocità di imaging senza sacrificare la risoluzione durante l'imaging di regioni selezionate arbitrariamente in campioni 3D, " ha affermato Wen. "Riteniamo che questo nuovo approccio basato sul rilevamento della compressione sarà utile da utilizzare con approcci come l'optogenetica in cui la luce viene utilizzata per controllare i neuroni e porterà a nuove scoperte in biologia e medicina".

I ricercatori stanno lavorando per migliorare ulteriormente la velocità dell'algoritmo di ricostruzione e la qualità dell'immagine. Prevedono inoltre di utilizzare la piattaforma DMD con altre tecniche di imaging avanzate come la correzione del fronte d'onda, che consente l'imaging dei tessuti profondi.