I ricercatori hanno preparato immagini di microscopia a due fotoni di un granello di polline utilizzando (a) la tradizionale scansione puntuale e (b) il nuovo approccio di imaging compressivo. Il tempo di scansione del punto è stato di 2,2 secondi, mentre il tempo di compressione ha richiesto solo 0,55 secondi. Credito:Università cinese di Hong Kong
Combinando un algoritmo di rilevamento della compressione con un microscopio olografico digitale, Prof. Shih-Chi Chen del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e dell'Automazione, Facoltà di Ingegneria, L'Università cinese di Hong Kong (CUHK) e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato un metodo di imaging ad alta velocità. Il nuovo approccio è in grado di produrre immagini di microscopia a due fotoni di un campione 3-D in un secondo, che è ad una velocità da tre a cinque volte quella del metodo convenzionale di scansione a punti.
Il risultato della ricerca è stato pubblicato sulla rivista Lettere di ottica .
Le attività dei neuroni sono generalmente completate su una scala temporale di 10 millisecondi, il che rende difficile per i microscopi convenzionali osservare direttamente questi fenomeni. Questa nuova microscopia a due fotoni con rilevamento della compressione può essere applicata all'imaging 3D della distribuzione nervosa degli esseri viventi o al monitoraggio simultaneo delle attività di centinaia di neuroni.
Nuovo metodo di scansione laser multifuoco per superare il limite di velocità di scansione del microscopio a due fotoni
La microscopia a due fotoni funziona fornendo impulsi ultraveloci di luce laser infrarossa al campione, dove interagisce con le etichette fluorescenti per creare un'immagine. È ampiamente utilizzato per le ricerche biologiche grazie alla sua capacità di produrre immagini 3D ad alta risoluzione fino a una profondità di un millimetro in un tessuto vivente. Questi vantaggi, però, venire con una velocità di imaging limitata della microscopia a due fotoni a causa del debole segnale fluorescente.
Per velocizzare la scansione, il team di ricerca ha sviluppato un metodo di illuminazione laser multifuoco che utilizza un dispositivo digitale a microspecchi (DMD). La ricerca risolve il problema dell'inutilizzabilità del DMD convenzionale per lavorare con laser ultraveloci, consentendo loro di essere integrati e utilizzati nella sagomatura del fascio, formazione del polso, e imaging a due fotoni.
I ricercatori hanno sviluppato un sistema che aumenta la velocità di imaging della microscopia a due fotoni fino a tre o cinque volte senza compromettere la risoluzione. Sulla sinistra è un modello CAD del compatto, su misura, sistema di microscopia a due fotoni. L'ottica a spazio libero all'interno è raffigurata a destra. Credito:Università cinese di Hong Kong
Il DMD genera 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 meccanica tradizionale, la velocità è ancora limitata dalla frequenza di aggiornamento del DMD.
Combinazione dell'algoritmo di rilevamento della compressione per migliorare ulteriormente la velocità di imaging
I ricercatori hanno ulteriormente aumentato la velocità di imaging in questa ricerca combinando la scansione multifuoco con il rilevamento della compressione. Questo approccio consente l'acquisizione delle immagini con meno misurazioni. Questo perché esegue la misurazione e la compressione dell'immagine in un unico passaggio e quindi utilizza un algoritmo per ricostruire le immagini dai risultati della misurazione. Per la microscopia a due fotoni, può ridurre il numero di misurazioni tra il 70 percento e il 90 percento.
Dopo aver condotto un esperimento di simulazione per dimostrare le prestazioni e i parametri del nuovo metodo, 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 3D da un granello di polline, in soli 0,55 secondi. Le stesse immagini acquisite con la scansione tradizionale del punto hanno richiesto 2,2 secondi.
Il prof. Shih-Chi Chen ha detto:"Questo metodo ha ottenuto un miglioramento da tre a cinque volte nella velocità di imaging senza sacrificare la risoluzione. Riteniamo che questo nuovo approccio porterà a nuove scoperte in biologia e medicina, come l'optogenetica. Il team sta ora lavorando per migliorare ulteriormente la velocità dell'algoritmo di ricostruzione e la qualità dell'immagine. Abbiamo anche in programma di utilizzare la DMD insieme ad altre tecniche di imaging avanzate, che consente l'imaging nei tessuti più profondi."
