Микроскопу плоскостного освещения приделали автопилот

Флуоресцентная микроскопия плоскостного освещения использует для получения изображения тонкий (408–1080 нанометров) фронт света. Фронт освещает часть образца, формируя его «срез», тогда как сам образец (расположенный «вертикально») может поворачиваться по горизонтальной оси. В сочетании с нефототоксичностью это позволяет ученым в объеме рассматривать отдельные клетки или целые организмы, например развивающиеся эмбрионы. В 2014 году технология была признана методом года по версии журнала Nature.

Главным недостатком «плоскостной» микроскопии является ручная фокусировка. Такие эксперименты требуют возможности наблюдать сложные клеточные изменения в течение часов и дней. Но даже успешная предварительная настройка разрешения не позволяет реконструировать образцы (особенно многоклеточные) по всем плоскостям с одинаковой детализацией: скорость изменений слишком высока. В результате даже несмотря на увеличение пространственного и временного разрешения применение метода остается ограниченным.

Для автоматизации процедур ученые из Медицинского института Говарда Хьюза разработали специальный фреймворк. В основу алгоритма легло сопоставление 30 параметров, которые характерны для тех или иных биологических моделей, с 66 наборами изображений из литературы и собственной базы данных. Конструкция микроскопа (авторы использовали SiMView, созданный в 2012 году) была изменена таким образом, чтобы одновременно с горизонтальным вращением образца фронт света мог перемещаться по «вертикальной» оси.

Каждая цилиндрическая линза при этом была оснащена парой гальванометрических сканеров. В ходе работы фреймворк управляет вращением образца и сканерами, и синхронизирует их движение с качеством изображения. Настройка разрешения осуществляется между точками сбора данных (каждые 375 миллисекунд) и заключается в том, что машина ищет наилучшую детализацию для «базовых» плоскостей, заданных пользователем (чаще это 4–8 граней с шагом в 20–80 микрометров). Таким образом, микроскоп может делать до шести «срезов» в трех измерениях по десяти степеням свободы с различной глубиной обнаружения (до 1,75 микрометра).

Система тестировалась на живых эмбрионах дрозофилы фруктовой (Drosophila melanogaster) и данио-рерио (Danio rerio). Результаты показали, что алгоритм позволяет отслеживать изменения в образцах (например, экспрессию белка) в течение 21 часа при потере около двух процентов данных. Первичная настройка параметров занимает около 40 секунд, после чего платформа в автоматическом режиме обрабатывает данные со скоростью один пиксель в 27 наносекунд. Средний рост пространственной разрешающей способности составил 2,4, временной — 1,6 (до 3 герц). Погрешность измерений оценивается в 330 микрометров.

«Мы хотели создать микроскоп настолько мощный и простой в использовании, насколько возможно. Фреймворк делает это, помогая пользователю убедиться в правильной настройке параметров и упрощая получение качественного изображения в каждом отдельном случае», — сообщил соавтор работы Филипп Келлер (Philipp Keller).

Платформа была написана на C++ и Java и управляется с помощью графического интерфейса. Скачать ее можно на странице проекта на GitHub.