Des chercheurs de l'Université Rice ont créé une méthode pour concevoir des masques personnalisés qui transforment les images de microscopie fluorescente 2D en films 3D. Crédit :Groupe de Recherche Landes/Université du Riz
Les chercheurs de l'Université Rice ont ajouté une nouvelle dimension à leur technique révolutionnaire qui étend les capacités des microscopes de laboratoire standard.
Il y a deux ans, le laboratoire Rice de la chimiste Christy Landes a introduit la microscopie à super résolution temporelle, une technique qui a permis aux chercheurs d'imager des molécules fluorescentes 20 fois plus rapidement que les caméras de laboratoire traditionnelles ne le permettent normalement. Ils ont maintenant développé une méthode générale pour permettre à un microscope de capturer des informations spatiales 3D avec la quatrième dimension, mouvement moléculaire dans le temps.
Cette, ils disent, aidera les scientifiques qui étudient les processus dynamiques à voir où se trouvent les molécules d'intérêt et à quelle vitesse elles se déplacent, par exemple, au sein des cellules vivantes.
La méthode Rice pour étendre les capacités des microscopes à fluorescence à champ large existants est détaillée dans l'article en libre accès de l'équipe dans Optique Express .
Il décrit la création de masques de phases personnalisés :transparents, disques tournants qui manipulent la phase de la lumière pour changer la forme de l'image capturée par la caméra du microscope. La forme contient des informations sur la position 3D d'une molécule dans l'espace et sur son comportement dans le temps dans le champ de vision de la caméra.
Un masque de phase transforme ce qui semble être un inconvénient, la goutte floue dans une image au microscope, en un atout. Les scientifiques donnent à ce blob un nom - fonction de propagation de points - et l'utilisent pour obtenir des détails sur les objets en dessous de la limite de diffraction qui sont plus petits que ce que tous les microscopes à lumière visible sont capables de voir.
Une image au microscope électronique montre un masque de phase programmé par un algorithme créé à l'Université Rice. Le masque personnalisable permet au laboratoire Rice de prendre des images de molécules pour déterminer leur profondeur et leur vitesse de déplacement, même s'ils sont plus rapides qu'une seule image de caméra. Crédit :Groupe de Recherche Landes/Université du Riz
Le travail original utilisait un masque à phase rotative qui transformait la lumière d'une seule molécule fluorescente en ce que les chercheurs ont appelé une double hélice rotative. L'image capturée est apparue sur l'appareil photo sous la forme de deux disques lumineux, comme les lobes d'une barre. Dans le nouveau travail, les haltères en rotation leur permettent de voir non seulement où se trouvaient les molécules dans l'espace tridimensionnel, mais a également donné à chaque molécule un horodatage.
Le cœur du nouveau travail réside dans les algorithmes de l'auteur principal et ancien élève de Rice en génie électrique et informatique, Wenxiao Wang. Les algorithmes permettent de concevoir des masques de phase personnalisés qui modifient la forme de la fonction d'étalement des points.
"Avec le masque de phase à double hélice, les informations temporelles et spatiales étaient connectées, " a déclaré le co-auteur Chayan Dutta, chercheur postdoctoral dans le laboratoire des Landes. "La rotation des lobes pourrait exprimer soit des informations spatiales en 3D, soit des informations temporelles rapides, et il n'y avait aucun moyen de faire la différence entre le temps et l'espace."
De meilleurs masques de phase résolvent ce problème, il a dit. "La nouvelle conception du masque de phase, que nous appelons un masque de phase de lobe d'étirement, découple l'espace et le temps, " dit Dutta. " Quand les cibles sont à des profondeurs différentes, les lobes s'écartent ou se rapprochent, et les informations temporelles sont désormais codées uniquement dans la rotation. »
L'astuce consiste à manipuler la lumière au niveau du masque de phase de rotation pour optimiser le motif pour différentes profondeurs. Cela est accompli par le motif de réfraction programmé dans le masque par l'algorithme. "Chaque couche est optimisée dans l'algorithme pour différentes profondeurs de détection, ", a déclaré l'étudiant diplômé et co-auteur Nicholas Moringo. "Où avant, nous pouvions voir des objets en deux dimensions au fil du temps, maintenant, nous pouvons voir simultanément les trois dimensions spatiales et le comportement temporel rapide."
Les fonctions de propagation ponctuelle des molécules simples, capturés sous forme de lobes doubles à travers un masque de phase (à gauche), peut dire aux chercheurs où se trouve la molécule dans l'espace 3D. La distance entre les lobes leur donne la profondeur de la molécule. Crédit :Groupe de Recherche Landes/Université du Riz
« Les microscopes à fluorescence à grand champ sont utilisés dans de nombreux domaines, notamment la biologie cellulaire et l'imagerie médicale, " a déclaré Landes. " Nous commençons tout juste à démontrer comment la manipulation de la phase de la lumière dans un microscope est un moyen assez simple d'améliorer la résolution spatiale et temporelle par rapport au développement de nouvelles balises fluorescentes ou à l'ingénierie de nouvelles améliorations matérielles. "
Un résultat important qui pourrait avoir un large attrait, elle a dit, est que les chercheurs ont généralisé la conception du masque de phase afin que les chercheurs puissent fabriquer des masques pour créer pratiquement n'importe quel motif arbitraire. Démontrer, le groupe a conçu et fabriqué un masque pour créer une fonction de propagation de point complexe qui énonce le RIZ à différentes profondeurs focales. Une vidéo montre que les lettres fantomatiques apparaissent et disparaissent lorsque le microscope se déplace à différentes profondeurs au-dessus et au-dessous du plan focal.
Une telle flexibilité sera utile pour des applications telles que l'analyse des processus à l'intérieur des cellules cancéreuses vivantes, un projet que le laboratoire espère poursuivre bientôt avec les partenaires du Texas Medical Center.
"Si vous avez une cellule sur une lame de verre, vous serez en mesure de comprendre où les objets de la cellule sont en relation les uns avec les autres et à quelle vitesse ils se déplacent, " a déclaré Moringo. " Les caméras ne sont pas assez rapides pour capturer tout ce qui se passe dans une cellule, mais notre système le peut."
