Une approche simple de l'imagerie complexe

La DiffuserCam est un parent de la caméra à champ lumineux, qui capture la quantité de lumière frappant un pixel sur le capteur d'image ainsi que l'angle à partir duquel la lumière frappe ce pixel. Dans une caméra à champ lumineux typique, un réseau de minuscules lentilles placées devant le capteur est utilisé pour capturer la direction de la lumière entrante, permettant aux approches informatiques de recentrer l'image et de créer des images 3D sans les étapes de numérisation généralement requises pour obtenir des informations 3D.

Jusqu'à maintenant, les caméras à champ lumineux ont une résolution spatiale limitée car certaines informations spatiales sont perdues lors de la collecte des informations directionnelles. Un autre inconvénient de ces caméras est que les réseaux de microlentilles sont coûteux et doivent être personnalisés pour une caméra particulière ou des composants optiques utilisés pour l'imagerie.

"Je voulais voir si nous pouvions atteindre les mêmes capacités d'imagerie en utilisant du matériel simple et bon marché, " a déclaré Waller. " Si nous avons de meilleurs algorithmes, pourrait le soigneusement conçu, les matrices de microlentilles coûteuses soient remplacées par une surface en plastique avec un motif aléatoire tel qu'un morceau de plastique bosselé ?"

Après avoir expérimenté différents types de diffuseurs et développé des algorithmes complexes, Nick Antipa et Grace Kuo, étudiants du laboratoire de Waller, découvert que l'idée de Waller pour une simple caméra à champ lumineux était possible. En réalité, utiliser des bosses aléatoires dans des autocollants en verre de confidentialité, Porte-badges de conférence en scotch ou en plastique, a permis aux chercheurs d'améliorer les capacités traditionnelles des caméras de champ lumineux en utilisant la détection compressée pour éviter la perte de résolution typique qui accompagne les réseaux de microlentilles.

Bien que d'autres caméras à champ lumineux utilisent des réseaux d'objectifs conçus et alignés avec précision, la taille et la forme exactes des bosses dans le diffuseur de la nouvelle caméra sont inconnues. Cela signifie que quelques images d'un point lumineux en mouvement doivent être acquises pour calibrer le logiciel avant l'imagerie. Les chercheurs travaillent sur un moyen d'éliminer cette étape d'étalonnage en utilisant les données brutes pour l'étalonnage. Ils souhaitent également améliorer la précision du logiciel et accélérer la reconstruction 3D.

Aucun microscope requis

La nouvelle caméra sera utilisée dans un projet à l'Université de Californie à Berkeley qui vise à observer un million de neurones individuels tout en stimulant 1, 000 d'entre eux avec une précision à cellule unique. Le projet est financé par le programme de conception de systèmes d'ingénierie neuronale de la DARPA - qui fait partie de l'initiative BRAIN du gouvernement fédéral - pour développer des implants, interfaces neuronales biocompatibles qui pourraient éventuellement compenser des déficits visuels ou auditifs.

Dans un premier temps, les chercheurs veulent créer ce qu'ils appellent un modem cortical qui "lira" et "écrira" dans le cerveau de modèles animaux, un peu comme l'activité d'entrée-sortie des modems Internet. La DiffuserCam sera le cœur du dispositif de lecture de ce projet, qui utilisera également des protéines spéciales permettant aux scientifiques de contrôler l'activité neuronale avec la lumière.

« L'utiliser pour regarder les neurones se déclencher dans un cerveau de souris pourrait à l'avenir nous aider à mieux comprendre la perception sensorielle et fournir des connaissances qui pourraient être utilisées pour guérir des maladies comme la maladie d'Alzheimer ou les troubles mentaux. " dit Waller.

Bien que les techniques d'imagerie nouvellement développées puissent capturer des centaines de neurones déclenchés, comment le cerveau fonctionne à plus grande échelle n'est pas entièrement compris. La DiffuserCam a le potentiel de fournir cette information en imageant des millions de neurones d'un seul coup. Parce que la caméra est légère et ne nécessite ni microscope ni objectif, il peut être attaché à une fenêtre transparente dans le crâne d'une souris, permettant à l'activité neuronale d'être liée au comportement. Plusieurs réseaux avec des diffuseurs superposés pourraient être carrelés pour imager de grandes zones.

Un besoin de designers interdisciplinaires

"Notre travail montre que l'imagerie informatique peut être un processus créatif qui examine toutes les parties de la conception optique et de la conception d'algorithmes pour créer des systèmes optiques qui accomplissent des choses qui ne pouvaient pas être faites auparavant ou pour utiliser une approche plus simple de quelque chose qui pouvait être fait avant , " Waller a dit. " C'est une direction très puissante pour l'imagerie, mais nécessite des concepteurs ayant une expertise en optique et en physique ainsi que des connaissances en informatique."

Le nouveau Berkeley Center for Computational Imaging, dirigé par Waller, travaille à former davantage de scientifiques dans ce domaine interdisciplinaire. Les scientifiques du centre rencontrent également chaque semaine des bio-ingénieurs, des physiciens et des ingénieurs électriciens ainsi que des experts en traitement du signal et en apprentissage automatique pour échanger des idées et mieux comprendre les besoins en imagerie d'autres domaines.