Nova vrsta mikroskopa, ki združuje videoposnetke iz desetin majhnih kamer, bi lahko raziskovalcem zagotovila 3D poglede njihovih poskusov. Naprava odpira nove možnosti za raziskovalce po vsem svetu, ne glede na to, ali snema 3D-filme vedenja na desetine prosto plavajočih rib cebric ali dejavnosti negovanja vinskih mušic v podrobnostih blizu celične ravni v zelo širokem vidnem polju. Zasluge: Roarke Horstmeyer, Univerza Duke
Sestavljanje videoposnetkov iz več deset kamer zagotavlja edinstven 3D pogled makroskopskih poskusov z mikroskopskimi podrobnostmi.
Ko so nekateri srečni podiplomski študenti naredili prvo sliko s svojim rezalnim mikroskopom, se je izkazalo bolje, kot so pričakovali. Seveda je bila v enem delu luknja, drugi pa je bil obrnjen na glavo – vendar so vseeno lahko našli Walda.
“Ko so ga naši kolegi, ki so preučevali ribo cebrico, prvič uporabili, so bili presenečeni. Takoj je razkril novo vedenje, ki vključuje višino in globino, ki ju še nikoli niso videli. — roarke horstmeyer
Do naslednjega dne sta rešila težave s programsko opremo in prikazala uspešno napravo za dokazovanje načela, ki temelji na klasični otroški knjigi ugank. Z združitvijo 24 kamer pametnih telefonov v eno samo platformo in sestavljanjem njihovih slik skupaj so ustvarili eno samo kamero, ki je sposobna posneti slike gigapikslov na območju velikosti kosa papirja.
Šest let, več ponovitev oblikovanja in eno zagonsko podjetje pozneje so raziskovalci prišli do nepričakovanega odkritja. Izvedba postopka sestavljanja več deset različnih kamer z ločljivostjo podpikslov jim je omogočila, da so videli tudi višino predmetov.
“To je kot človeški vid,” je dejal Roarke Horstmeyer, docent za biomedicinski inženiring na univerzi Duke. “Če združite več perspektiv skupaj (kot počneta vaši očesi), vidite predmete iz različnih zornih kotov, kar vam daje višino. Ko so naši kolegi, ki so preučevali ribo cebrico, prvič uporabili So, so bili navdušeni. Takoj je razkrila nova vedenja, ki vključujejo višino in globino, še nikoli prej niso videli.
Nova vrsta mikroskopa, ki združuje videoposnetke iz desetin majhnih kamer, bi lahko raziskovalcem zagotovila 3D poglede njihovih poskusov. Naprava odpira nove možnosti za raziskovalce po vsem svetu, ne glede na to, ali snema 3D-filme vedenja na desetine prosto plavajočih rib cebric ali dejavnosti negovanja vinskih mušic v podrobnostih blizu celične ravni v zelo širokem vidnem polju. Zasluge: Roarke Horstmeyer, Univerza Duke
V članku, objavljenem na spletu danes (20. marec) v reviji Naravna fotonika, Horstmayer in sodelavci so pokazali zmogljivosti svojega novega hitrega 3D mikroskopa z gigapiksli, imenovanega Multi Camera Array Microscope (MCAM). Naprava odpira nove možnosti za raziskovalce po vsem svetu, ne glede na to, ali snema 3D-filme vedenja na desetine prosto plavajočih rib cebric ali dejavnosti negovanja vinskih mušic v podrobnostih blizu celične ravni v zelo širokem vidnem polju. Najnovejša različica MCAM temelji na 54 lečah z večjo hitrostjo in ločljivostjo kot prototip, ki ga je našel Waldo. Na podlagi nedavnega dela, opravljenega v tesnem sodelovanju z laboratorijem dr. Eve Naumann pri Dukeu, inovativna programska oprema mikroskopu omogoča izvajanje 3D meritev, zagotavljanje večjih podrobnosti pri manjših merilih in ustvarjanje bolj gladkih filmov.
“Dolgo časa smo gradili naše naprave z enojnimi lečami in kamerami, ki so dobro delovale za naše namene, vendar je to na povsem drugi ravni. Smo biologi, ki se ukvarjamo z optiko. Neverjetno je videti, kaj lahko pravni fizik naredi naše poskuse boljše. Matthew McCarroll
Zelo vzporedna zasnova MCAM pa ustvarja lastne izzive pri obdelavi podatkov, saj lahko nekaj minut snemanja proizvede terabajte podatkov. “Razvili smo nove algoritme, ki lahko učinkovito obravnavajo te izjemno velike nabore video podatkov,” je povedal Kevin C. Zhou, podoktorski raziskovalec v Horstmayerjevem laboratoriju in glavni avtor prispevka. “Naši algoritmi združujejo fiziko[{” attribute=””>machine learning to fuse the video streams from all the cameras and recover 3D behavioral information across space and time. We’ve made our code open source on Github for everyone to try out.”
At the University of California – San Francisco, Matthew McCarroll watches the behavior of zebrafish exposed to neuroactive drugs. By looking for changes in behavior due to different classes of drugs, researchers can discover new potential treatments or better understand existing ones.
In the paper, McCarroll and his group describe interesting movements they’d never seen before thanks to using this camera. The 3D capabilities of the MCAM, coupled with its all-encompassing view, allowed them to record differences in the fish’s pitch, whether they trended toward the top or bottom of their tanks and how they tracked prey.
“Dolgo časa smo izdelovali lastne naprave z enojnimi lečami in kamerami, ki so dobro delovale za naše namene,” je dejal McCarroll, neodvisni znanstvenik, ki preučuje farmacevtsko kemijo v seriji Professional Researcher UC System. , vendar je v celoti druga raven.” , “Smo biologi, ki se ukvarjamo z optiko. Neverjetno je videti, kaj lahko zakonit fizik naredi za izboljšanje naših poskusov.
Pri Duku laboratorij Michela Bagnata, profesorja celične biologije, prav tako dela z ribami cebricami. Toda namesto da bi preučevali vedenjske spremembe, ki jih povzročajo zdravila, raziskovalci preučujejo, kako se živali razvijejo iz jajčeca v popolnoma oblikovano odraslo osebo na celični ravni.
“Z zmožnostmi 3D in fluorescentnega slikanja tega mikroskopa bi lahko spremenilo, koliko evolucijskih biologov izvaja svoje poskuse.” , jennifer bagwell
V prejšnjih študijah so raziskovalci morali anestezirati in namestiti razvijajoče se ribe, da so ostale negibne med izvajanjem meritev z laserji. Toda dolgotrajno zadrževanje zunaj lahko povzroči tudi spremembe v njihovem razvoju, ki lahko popačijo rezultate poskusa. S pomočjo novega MCAM so raziskovalci pokazali, da lahko pridobijo vse te meritve, medtem ko ribe živijo svoje življenje brez teže, brez izbijanja ali sponk.
“Z zmožnostmi 3D in fluorescentnega slikanja tega mikroskopa bi lahko preoblikoval način, kako mnogi razvojni biologi izvajajo svoje eksperimente,” je povedala Jennifer Bagwell, raziskovalka in vodja laboratorija v laboratoriju Bagnat. “Še posebej, če se izkaže, da anestezija rib vpliva na njihov razvoj, kar zdaj preučujemo.”
Horstmayer upa, da bo poleg sledenja celotnim skupnostim majhnih živali, kot je riba cebrica, v poskusih omogočilo tudi večje avtomatizirane vzporedne študije. Na primer, mikroskop si lahko ogleda ploščo s 384 vdolbinicami, napolnjenimi z različnimi vrstami organoidov, da preizkusi morebitne farmacevtske reakcije, zabeleži celične odzive vsakega drobnega poskusa in avtonomno poroča o morebitnih zanimivih rezultatih. Lahko označi.
“Sodobni laboratorij postaja vsak dan bolj avtomatiziran, velike plošče z vdolbinicami se polnijo in vzdržujejo, ne da bi se kdaj dotaknili človeške roke,” je dejal Horstmayer. “Ta ogromna količina podatkov ustvarja povpraševanje po novih tehnologijah, ki lahko pomagajo avtomatizirati sledenje in zajemanje rezultatov.”
Horstmayer je skupaj s soavtorjem Marcom Harfochejem, ki je bil možgan za Waldovo zajem njegove prve slike, ustanovil zagonsko podjetje Ramona Optics za komercializacijo tehnologije. Eden od njenih zgodnjih pridobiteljev licence, MIRA Imaging, uporablja tehnologijo za “prstni odtis” likovnih umetnin, zbirateljskih predmetov in luksuznega blaga, da se cepi proti ponarejanju in goljufijam.
Več primerov delovanja mikroskopa najdete na:
Reference: Kevin C. Zhou, Mark Harfouche, Colin L. “Vzporedna računalniška 3D video mikroskopija prosto gibajočih se organizmov pri več gigapikslih na sekundo” Kuk, Jaehee Park, Pavan C. Konda, Lucas Kreis, Kanghyun Kim, Joachim Jönsson, Thomas Doman, Paul Riame, Vaton Saliu, Claire B. . Cook, Maxwell Zheng, John P. Bechtel, Aurelian Begg, Matthew McCarroll, Jennifer Bagwell, Gregor Horstmeyer, Michel Bagnet in Roarke Horstmeyer, 20. marec 2023, dostopno Naravna fotonika,
DOI: 10.1038/s41566-023-01171-7
To raziskavo podpirajo Urad za raziskovalne infrastrukturne programe (ORIP), Urad direktorja, Nacionalni inštitut za zdravje in Nacionalni inštitut za zdravstvene vede o okolju (NIEHS) Nacionalnega inštituta za zdravje (R44OD024879), Nacionalni inštitut za zdravje ( R44CA250877) Nacionalnega inštituta za raka (NCI), Nacionalnega inštituta za biomedicinsko slikanje in bioinženiring (NIBIB) Nacionalnega inštituta za zdravje (R43EB030979), Nacionalne znanstvene fundacije (2036439) in nagrado Duke Coulter Translational Partnership Award.
