La photo de couverture de l'article en ligne sur Avancées scientifiques cette semaine affiche l'imagerie par fluorescence avec un mésoscope miniature informatique (CM ² ). La technique de l'imagerie par fluorescence est un outil essentiel pour les biologistes et les neuroscientifiques; cependant, les microscopes conventionnels et les microscopes miniaturisés (miniscopes) sont contraints par un produit espace-bande passante limité - une mesure de la capacité d'information d'un système optique, faible profondeur de champ et une incapacité à résoudre les émetteurs distribués tridimensionnels (3-D). Pour dépasser les limites existantes, Yujia Xue et une équipe de chercheurs en génie électrique et informatique, la biologie, neurophotonique et génie biomédical à l'Université de Boston, NOUS., développé un mésoscope léger et compact connu sous le nom de mésoscope miniature computationnel (CM ² ).

La nouvelle plate-forme a intégré une microlentille pour l'imagerie et un réseau de LED pour l'excitation au sein de la même configuration. L'appareil a effectué une imagerie 3-D en une seule prise et a facilité un gain de champ de vision de 10 fois et une amélioration de la profondeur de champ de 100 fois, par rapport aux miniscopes existants. Xue et al. testé l'appareil avec des billes et des fibres fluorescentes aux côtés d'expériences fantômes pour mesurer les effets de la diffusion en vrac et de la fluorescence de fond. L'équipe discute de l'utilité de ce mésoscope pour de larges applications en biomédecine et en enregistrement neuronal 3D.

Microscopie à fluorescence avancée

La microscopie à fluorescence est une technique clé en biologie fondamentale et en neurosciences des systèmes. Les récents développements technologiques visent à surmonter les barrières d'échelle pour étudier des neurones individuels de seulement quelques microns. Par exemple, macroscope, les microscopes mésolens et les microscopes à deux photons ont commencé à combler cette échelle; cependant, le développement de tels systèmes d'imagerie est limité par les aberrations géométriques dépendant de l'échelle des éléments optiques. Le champ de vision (FOV) réalisable est également limité par la faible profondeur de champ du système dans de nombreuses applications de bio-imagerie. Les chercheurs se concentrent également sur la miniaturisation de la technologie pour permettre l'imagerie in vivo chez des animaux se comportant librement. Par exemple, les microscopes miniaturisés appelés « miniscopes » ont obtenu un accès sans précédent aux signaux neuronaux, bien que les systèmes restent limités par leur optique, tout comme leurs homologues de microscopie à fluorescence. Xue et al. donc présenté et démontré un microscope miniature informatique (CM ² ) à grande échelle, Mesures de fluorescence 3D sur un compact, plate-forme légère.

L'équipe a utilisé une optique simple dans la configuration pour améliorer les produits à bande passante spatiale (SBP) et les capacités d'imagerie 3D sans avoir besoin d'un balayage mécanique. La technique a contourné les limites physiques de l'optique intégrée en concevant conjointement le matériel et l'algorithme. Le CM ² méthode d'imagerie combinée plusieurs caractéristiques différentes de l'imagerie microscopique, comme l'imagerie intégrale, microscopie à champ lumineux et imagerie à ouverture codée. Dans son mécanisme d'action, le microscope a collecté une seule mesure 2D à l'aide d'un réseau de microlentilles (MLA) pour une reconstruction informatique ultérieure de la distribution de fluorescence 3D.

Le CM ² a utilisé le réseau de microlentilles comme seul élément d'imagerie et a permis à la configuration de surmonter les limites du champ de vision (FOV) imposées par l'objectif des microscopes conventionnels. Le CM ² L'algorithme a résolu le problème de déconvolution 2-D-to-3-D pour fournir des reconstructions résolues en profondeur. Xue et al. expliqué le principe du CM ² capacité d'imagerie 3-D monocoup en faisant une analogie avec le multiplexage par répartition en fréquence (FDM). L'équipe a ensuite quantifié la résolution réalisable du CM ² en calculant la fonction de transfert de modulation (MTF) 3-D du système et en analysant la résolution latérale.

Xue et al. approximation de la formation de l'image du CM ² configuration en utilisant un modèle invariant de décalage par tranche. Ils ont caractérisé la résolution et la variance de décalage latéral de la configuration avant l'imagerie expérimentale et ont imagé une cible de résolution fluorescente pour valider la résolution latérale du CM ² . Ils ont validé les observations en utilisant des mesures simulées par Zemax pour trouver un bon accord entre les simulations et les expériences. La nouvelle plate-forme a permis aux scientifiques de localiser des émetteurs fluorescents répartis sur un grand volume. Ils ont testé les performances de CM ² sur des échantillons avec une taille de caractéristique similaire à un seul neurone. Au cours de ces expériences, le CM ² l'algorithme était tolérant aux dégradations du signal telles que des rapports signal/bruit réduits pour permettre une haute qualité, reconstruction en plein champ de vision. L'équipe a comparé le CM ² reconstruction et un empilement axial acquis par un objectif pour démontrer la précision de la localisation monocoup de particules individuelles.

Expériences sur des fibres fluorescentes sur une surface courbe et sur des fantômes à diffusion contrôlée.

Les scientifiques ont ensuite testé la capacité d'imager des échantillons fluorescents volumétriques complexes sur des fibres fluorescentes réparties sur une surface incurvée imprimée en 3D, imiter le profil de surface d'un cortex de souris, couvrant un large champ de vision et une profondeur étendue. L'algorithme a récupéré avec précision les structures au point et résolu pour l'objet 3D, tout en résolvant la plupart des fibres individuelles. L'équipe a en outre mené des expériences sur huit fantômes d'imagerie pour tester les performances de CM ² sous diffusion massive et forte fluorescence de fond. Lors des expérimentations, ils ont ensemencé tous les fantômes avec la même concentration de particules fluorescentes cibles et ont attribué les différences de reconstruction à la diffusion en masse et à la fluorescence de fond. L'équipe a ensuite inclus des particules fluorescentes de fond de 1,1 µm pour imiter les sources fluorescentes insolubles couramment observées sur les échantillons biologiques; comme les neutrophiles dans le cerveau. Ils ont quantifié le niveau de diffusion pour chaque fantôme, effectué une reconstruction 3-D pour chaque fantôme de diffusion et effectué toutes les déconvolutions en utilisant le même paramètre de calcul. La plage de profondeur de reconstruction estimée variait avec les variations de surface présentes dans chaque fantôme.

De cette façon, Yujia Xue et ses collègues ont développé un nouveau système d'imagerie par fluorescence miniaturisé pour permettre une imagerie 3D mésoscopique à une seule prise. Le mésoscope miniature computationnel (CM ² ) méthode d'imagerie de fluorescence intégrée et les modules d'excitation sur la même plate-forme compacte. L'équipe a présenté les simulations et les expériences pour établir le mécanisme d'action et la capacité d'imagerie 3D du CM ² . Ils ont simulé l'imagerie à l'échelle du cerveau des réseaux vasculaires et les principaux résultats étaient prometteurs. Le CM ² le prototype n'est pas encore comparable aux applications in vivo montées sur la tête (sur modèles animaux) dans les laboratoires de neurosciences, bien que l'équipe envisage d'optimiser le dispositif pour l'imagerie in vivo du cortex complet chez des souris se déplaçant librement. Le dispositif d'imagerie peut être encore amélioré avec de nouveaux développements dans le matériel et les algorithmes pour ouvrir de nouvelles opportunités passionnantes dans l'enregistrement neuronal in vivo et les applications biomédicales.

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