Микроскопу плоскостного освещения приделали автопилот — Naked Science
04.11.2016
Редакция

Микроскопу плоскостного освещения приделали автопилот

Американские ученые разработали программную платформу, которая позволяет автоматически настраивать фокус микроскопа плоскостного освещения в режиме реального времени. Результаты представлены в журнале Nature Biotechnology

picture24feb09_2l_labelled-jpg
©Wikipedia

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.

 

Схема работы платформы. / © Lo?c A Royer, Nature Biotechnology, 2016

 

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).

 

Эмбрион данио-рерио в процессе эпиболии (сверху) и эмбрион дрозофилы на этапе развития нервной системы (снизу). / © Lo?c A Royer, Nature Biotechnology, 2016

 

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.

 

Эмбрион дрозофилы. / © Lo?c A Royer, 2016

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
30 июля
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

30 июля
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

31 июля
Василий Парфенов

Изучение загадочной короны черной дыры, образованной рентгеновским излучением, преподнесло интересное открытие. Космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR смогли «увидеть» свет, отраженный веществом сразу позади невероятно массивного объекта. И хотя это очередной раз подтверждает общую теорию относительности, про основной объект исследований ученые почти не получили новых данных.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: