I ricercatori hanno sviluppato un nuovo dispositivo plug-and-play in grado di aggiungere la correzione dell'ottica adattiva ai microscopi ottici commerciali. L'ottica adattiva può migliorare notevolmente la qualità delle immagini acquisite in profondità nei campioni biologici, ma ha, fino ad ora, stato estremamente complesso da implementare.

"Migliorare la tecnologia a disposizione degli scienziati della vita può approfondire la nostra comprensione della biologia, che sarà, a sua volta, portare a farmaci e terapie migliori a disposizione dei medici, " ha detto il capo del gruppo di ricerca, Paolo Pozzi dell'Università di Modena e Reggio Emilia in Italia.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , Pozzi e un team multidisciplinare di ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft), Il CNR-Istituto di Fotonica e Nanotecnologia (CNR-IFL) e il Centro Medico Universitario di Rotterdam descrivono il loro nuovo dispositivo per lenti adattive. Mostrano anche come può essere facilmente installato sull'obiettivo di un microscopio multifotone commerciale per migliorare la qualità dell'immagine.

"Questo approccio consentirà a tecniche ottiche avanzate come la microscopia multifotonica di visualizzare immagini più profonde sotto la superficie del cervello negli organismi vivi, " disse Stefano Bonora, capogruppo presso il CNR-IFL. "Non vediamo l'ora di vedere come potrebbe essere implementato anche in altri sistemi, come microscopi a foglio leggero, sistemi a super risoluzione, o anche semplici microscopi a epifluorescenza."

Imaging più profondo

La microscopia ottica può essere utilizzata per l'immagine di campioni biologici in condizioni naturali, permettendo di osservare vari processi biologici nel tempo. Però, mentre la luce viaggia attraverso i tessuti, viene distorta. Questa distorsione peggiora quando la luce viaggia più in profondità nel tessuto, rendendo le immagini sfocate e oscurando dettagli importanti.

Ottica adattiva, una tecnologia inizialmente sviluppata per compensare la turbolenza atmosferica quando si utilizzano i telescopi per visualizzare gli oggetti celesti, può essere utilizzato per correggere le aberrazioni ottiche che si verificano durante l'imaging attraverso il tessuto spesso. Però, per farlo in genere è necessario costruire un microscopio personalizzato che incorpori uno specchio deformabile. Questo specchio viene utilizzato per compensare le distorsioni, creando un'immagine che sembra nitida e chiara.

"Includere uno specchio deformabile in un microscopio esistente è quasi impossibile, e nessun microscopio adattivo commerciale è ancora disponibile sul mercato, " ha detto Pozzi. "Ciò significa che l'unica opzione per uno scienziato della vita di utilizzare l'ottica adattiva è costruire l'intero microscopio da zero, un'operazione troppo difficile e dispendiosa in termini di tempo per la maggior parte dei laboratori di scienze della vita."

Un approccio più semplice

Per semplificare questa configurazione, i ricercatori hanno creato una lente intelligente realizzata con vetro così sottile da potersi piegare senza rompersi. La lente è costituita da un contenitore di vetro a forma di disco riempito con un liquido trasparente. Un set di 18 attuatori meccanici sui bordi del vetro può essere controllato con un computer per piegare il vetro nella forma desiderata.

L'obiettivo funziona come lo specchio deformabile utilizzato nella maggior parte delle configurazioni ottiche adattive, ma invece di riflettere la luce, trasmette luce. Mentre la luce viaggia attraverso il liquido all'interno della lente, viene distorto in modo diverso a seconda della forma dell'obiettivo. "Questo è simile alle immagini distorte che vedi quando guardi attraverso una bottiglia d'acqua mentre la schiacci con le mani, " disse Bonora.

L'uso della lente per la correzione dell'ottica adattiva richiede un algoritmo complesso per controllare gli attuatori. "Un'efficiente correzione ottica è stata resa possibile dall'algoritmo DONE (database online nonlinear extremum-seeker), una soluzione molto elegante basata su principi simili all'apprendimento automatico, che abbiamo precedentemente sviluppato alla TU Delft, " disse Pozzi.

Risultati rapidi

I ricercatori hanno testato il nuovo software, che è reso disponibile anche ad altri tramite github, e lente adattiva applicandola alla lente dell'obiettivo di un microscopio multifotone commerciale. Hanno usato il microscopio per eseguire l'imaging del calcio sul cervello di topi viventi, uno dei più complessi esperimenti di scienze della vita eseguiti con i microscopi.

"Abbiamo superato le nostre aspettative ottenendo ottimi risultati in poche ore, " ha detto Pozzi. "Questa tecnologia può essere adattata a qualsiasi microscopio esistente che abbia obiettivi intercambiabili e visualizzi le immagini sullo schermo di un computer".

I ricercatori stanno ora testando il sistema su altri tipi di microscopi e campioni, esplorando anche se più lenti adattive potrebbero essere utilizzate per ottenere una correzione migliore di quella possibile con tecniche più complesse che utilizzano specchi deformabili. Il team ha anche fondato una società spin-off, Ottica Dinamica srl, commercializzare le lenti adattive multiattuatore.

La nuova lente potrebbe essere utile anche per applicazioni oltre la microscopia. "Il nostro nuovo dispositivo potrebbe essere applicato anche in altri campi come le comunicazioni nell'ottica dello spazio libero, dove potrebbe aumentare i tassi di connessione dati e portare le connessioni dati in aree remote e isolate, " disse Pozzi.