Le laboratoire du gagnant Nobel combine les étoiles, yeux avec la microscopie

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Les biologistes de cellules ont deux buts quand elle vient à la formation image un échantillon : ils veulent à l'image plus profonde et plus profonde tout en obtenant toujours des résultats à haute résolution, et ils veulent observer des cellules dans leur environnement normal. Tandis que des photomicroscopes sont souvent choisis pour des applications de formation image, la technique ne va-t-elle pas tellement bien une fois confrontée avec les échantillons biologiques complexes ? pensez le pétrole et l'eau.

Les échantillons biologiques plient la lumière des manières imprévisibles ? allumez d'un point d'un objet ne converge pas dans ou ne diverge pas d'un unique après transmission par le système de formation image. Ceci cause l'aberration, qui mène alternativement à tordre, des images troubles et l'information inutilisable. Réfraction ? le phénomène qui se produit quand les vagues voyagent d'un milieu avec un indice de réfraction à un milieu avec des autres ? est blâmer de l'aberration dans les échantillons biologiques.

Selon Kai Wang, un camarade post-doctoral médical de l'institut de Howard Hughes (HHMI), aberration dans les échantillons biologiques se produit en raison d'une disparité réfringente d'image. Sur une petite échelle, la dispersion de la lumière est présente, mais non significative. Cependant, en essayant à l'image au-dessus de plus grands échantillons, la lumière voyage hors de l'échantillon, rendant des résultats inutiles.

Chef de groupe de recherche de ferme de HHMI Janelia et 2014 gagnant du prix Nobel de chimie Eric Betzig, Wang et leur équipe tournés à l'ophthalmologie et à l'astronomie pour aider à résoudre ce problème. Elles ont combiné des stratégies adaptatives du systeme optique (ao) des deux champs pour développer une technologie de l'image qui corrige rapidement pour des déformations et affile des images à haute résolution au-dessus de grands volumes d'échantillon. L'approche d'ao fonctionne dans les tissus qui ne dispersent pas la lumière, rendant lui bien adaptés à la formation image les corps transparents du zebrafish ou des elegans de Caenorhabditis d'ascaride lombricoïde, les deux organizations modèles importantes dans la biologie. Pendant que la vidéo vers la droite démontre, la technique d'ao introduit dans le foyer les structures et les organelles sous-cellulaires des cellules nerveuses profondément dans le cerveau d'un zebrafish vivant.

Des systemes optique adaptatifs ont été présentés dans l'astronomie, appliqués à l'ophthalmologie aux images correctes des rétines (qui deviennent tordues quand lumière passée par la cornée et l'objectif), puis mis en application la première fois dans la microscopie pour corriger pour l'hétérogénéité de lumière-recourbement des tissus biologiques.

Les astronomes appliquent l'ao en brillant un laser haut dans l'atmosphère dans la même direction de l'objet qu'ils veulent observer, de ce fait établissant un soi-disant ? étoile de guide ?. Le renvoi léger de cette étoile de guide obtient tordu pendant qu'il voyage par l'atmosphère turbulente de nouveau au télescope. Utilisant une sonde de front des ondes, les astronomes mesurent cette déformation directement, puis emploient les mesures pour déformer un miroir de télescope pour décommander dehors les aberrations atmosphériques. La correction donne un avis beaucoup plus clair de l'objet en question.

? D'abord, la sonde de forme d'onde mesure l'aberration ? dit Wang, expliquant le processus. ? La forme d'onde corrigeant le dispositif vous laisse savoir l'aberration de forme d'onde ou appliquer une correction correspondant à cette aberration qui permettra des images à haute résolution. D'une manière plus importante cependant, vous devez trouver une étoile de guide, qui fonctionne avec la sonde de forme d'onde pour t'indiquer ce qu'est l'aberration. Toute l'innovation dans ce domaine vient de figurer dehors comment produire d'une étoile de guide. ?

En 2010, Betzig a développé une technique de microscopie qui a employé un objet fluorescent, tel qu'un corps de cellules ou une perle incorporée, comme étoile de guide. Ceci a été permis par sa technique de microscopie de simple-molécule, d'abord utilisée en 2006, qui a juste gagné à Betzig un prix 2014 Nobel.

Avec l'étoile de guide comme objet fluorescent, la cible peut être reflètente beaucoup de fois de différents angles de déterminer la correction nécessaire. Le problème avec s'appliquer cette technique à de grands échantillons biologiques est que le processus est lent et expose un échantillon à la lumière préjudiciable et au matériel artificiel. Quels Betzig et Wang a eu besoin était une technique rapide, non envahissante, à haute résolution qui pourrait corriger pour des hétérogénéité dans le complexe, échantillons biologiques transparents, particulièrement au-dessus d'un de large volume.

D'abord, Betzig ? l'équipe de s a créé une étoile de guide en focalisant la lumière du microscope dans un point rougeoyant dans l'échantillon. Utilisant une technique appelée l'excitation de deux-photon, ils ont pénétré la lumière infrarouge profonde dans le tissu et ont illuminé un point spécifique. La sonde de front des ondes a alors déterminé comment la lumière qui est retournée de l'étoile de guide s'était déformée en tant qu'elle a traversé le tissu, permettant à la correction appropriée d'être appliquée.

Tandis que c'était un bon premier essai, le didn de technique ? t résolvent autant de problèmes de formation image comme espéré. Pendant que la lumière de l'étoile de guide revenait à la sonde, le front des ondes est devenu extrêmement inégal, qui n'est pas le cas dans l'astronomie. En outre, une correction qui a fonctionné à un wouldn de point ? t soit nécessairement efficace à une tache ailleurs dans l'échantillon qui plie les vagues légères d'une manière différente.

Ainsi, les chercheurs ont décidé de balayer l'étoile de guide au-dessus d'une petite région de l'échantillon, au lieu de le concentrer sur une tache. Betzig et Wang ont rebondi la lumière outre des miroirs pour projeter l'étoile de guide à différents points dans le spécimen. Le front des ondes en résultant a produit d'une correction moyenne au-dessus de la région balayée.

? C'était une différence entre la correction localisée et complète ou la correction moyenne ? explique Wang. ? Quand nous regardions de grands échantillons, nous avons essayé de commencer par la correction totale sur un d'une seule tache, mais nous avons noté que l'aberration est si compliquée que même la plus grande sonde de front des ondes ne pourrait pas manipuler la diversité dans les échantillons biologiques. Le moyen compliqué d'aberrations que vous devez savoir plus au sujet de l'échantillon et à ce qu'il ressemble, qu'à leur tour les moyens vous ont besoin beaucoup plus du signal de fluorescence pour mesurer la correction d'aberration. En prenant la moyenne des aberrations compliquées, nous pouvions obtenir la même information au-dessus du volume de l'échantillon au lieu de le serrer tout sur un point. ?

À l'image par grandes parties de tissu, un microscope peut produire des dizaines de milliers d'images de plus petits volumes, chaque exigence de sa propre correction d'ao. Ici, point par point la correction élimine essentiellement n'importe quelle possibilité de formation image rapide. Selon Betzig, la nouvelle technique moyen-centrale gère cette tâche bien mieux, mettant à jour ses corrections en juste 14 millisecondes.

? Nous voulons pousser plus loin la limite de la technologie ? il continue. ? Nous voulons essayer d'augmenter l'ao à la formation image de superbe-résolution pour ceux qui doivent obtenir encore plus profonds dans un échantillon. ? Puisqu'après tout, les biologistes de cellules ont deux buts simples quand il vient à la formation image un échantillon ? être le plus important la capacité à l'image plus profonde et plus profonde tout en obtenant toujours la résolution élevée (ou superbe) résulte.

Cette image est un encavateur d'armature d'une formation image comparante visuelle de deux-photon d'un cerveau vivant de zebrafish, ~72 heures de poteau-fertilisation, avec un marqueur omniprésent ...