Формирование света позволяет 2D микроскопам захватывать 4D данные. Исследователи из Университета Райс добавили новое измерение в свою революционную технику, которая расширяет возможности стандартных лабораторных микроскопов.

Исследователи из Университета Райса создали метод создания пользовательских масок, которые преобразуют изображения 2D флуоресцентной микроскопии в 3D фильмы. Фото: Исследовательская группа Landes / Университет Райса

Два года назад химическая лаборатория Райса Кристи Ландес (Rice) представила микроскопию с супер-временным разрешением, которая позволила исследователям получать изображения флуоресцентных молекул в 20 раз быстрее, чем обычно позволяют обычные лабораторные камеры. Сейчас они разработали общий метод, позволяющий микроскопу собирать трехмерную пространственную информацию вместе с четвертым измерением, молекулярным движением во времени.

Это, по их словам, поможет ученым, изучающим динамические процессы, увидеть, где находятся молекулы, представляющие интерес, и как быстро они движутся, например, в живых клетках.

Метод Райса для расширения возможностей существующих флуоресцентных микроскопов с широким полем подробно описан в статье открытого доступа команды в Optics Express .

Он описывает создание пользовательских фазовых масок: прозрачных вращающихся дисков, которые управляют фазой света, чтобы изменить форму изображения, полученного камерой микроскопа. Форма содержит информацию о трехмерном положении молекулы в пространстве и о том, как она ведет себя во времени в поле зрения камеры.

Фазовая маска превращает то, что кажется неудобством, размытое пятно на микроскопическом изображении, в актив. Ученые дают этому объекту имя – функцию разброса точек – и используют его для получения сведений об объектах ниже предела дифракции, которые меньше, чем могут видеть все микроскопы в видимом свете.

На электронном микроскопе показана фазовая маска

На электронном микроскопе показана фазовая маска, запрограммированная алгоритмом, созданным в Университете Райса. Настраиваемая маска позволяет лаборатории Риса делать снимки молекул, чтобы определить их глубину и скорость, с которой они движутся, даже если они быстрее, чем один кадр камеры. Фото: Исследовательская группа Landes / Университет Райса

В оригинальной работе использовалась вращающаяся фазовая маска, которая преобразовывала свет от одной флуоресцентной молекулы в то, что исследователи называли вращающейся двойной спиралью. Захваченное изображение появилось на камере в виде двух светящихся дисков, похожих на лепестки штанги. В новой работе вращающиеся штанги позволяют им видеть не только то, где молекулы находятся в трехмерном пространстве, но также дают каждой молекуле метку времени.

В основе новой работы лежат алгоритмы ведущего автора и выпускника Rice по электротехнике и вычислительной технике Wenxiao Wang. Алгоритмы делают практичным создание пользовательских фазовых масок, которые изменяют форму функции разброса точек.

«С помощью фазовой маски с двойной спиралью информация о времени и пространственная информация были связаны», – сказал соавтор Чаян Датта, доктор наук в лаборатории Ландеса. «Вращение лопастей может выражать либо информацию о трехмерном пространстве, либо о быстром времени, и не было никакой возможности определить разницу между временем и пространством».

Лучшие фазовые маски решают эту проблему, сказал он. «Новый дизайн фазовой маски, который мы называем фазовой маской с растягивающимися лепестками, разъединяет пространство и время», – сказал Датта. «Когда цели находятся на разной глубине, лепестки растягиваются дальше или сближаются, и информация о времени теперь кодируется только во вращении».

Хитрость заключается в том, чтобы манипулировать светом в маске фазы вращения, чтобы оптимизировать рисунок для различных глубин. Это достигается с помощью шаблона преломления, запрограммированного в маске алгоритмом. «Каждый слой оптимизирован в алгоритме для различной глубины обнаружения», – сказал аспирант и соавтор Николас Моринго. «Там, где раньше мы могли видеть объекты в двух измерениях во времени, теперь мы можем видеть все три пространственных измерения и поведение быстрого времени одновременно».

Точечные функции рассеяния отдельных молекул

Точечные функции рассеяния отдельных молекул, захваченных в виде двойных лепестков через фазовую маску (слева), могут сказать исследователям, где молекула находится в трехмерном пространстве. Расстояние между лепестками дает им глубину молекулы. Фото: Landes Research Group / Университет Райса

«Широкопольные флуоресцентные микроскопы используются во многих областях, особенно в клеточной биологии и медицинской визуализации», – сказал Ландес. «Мы только начинаем демонстрировать, как манипулирование фазой света в микроскопе является достаточно простым способом улучшения пространственного и временного разрешения по сравнению с разработкой новых флуоресцентных меток или разработкой новых аппаратных улучшений».

По ее словам, одним из важных результатов, который может иметь широкую привлекательность, является то, что исследователи обобщили дизайн фазовой маски, чтобы исследователи могли изготовить маски для создания практически любого произвольного шаблона. Чтобы продемонстрировать, группа разработала и изготовила маску для создания функции разброса сложных точек, которая излагает RICE на разных глубинах фокусировки. Видео показывает, что призрачные буквы появляются и исчезают, когда микроскоп перемещается на разные глубины выше и ниже фокальной плоскости.

Такая гибкость будет полезна для таких приложений, как анализ процессов внутри живых раковых клеток, проект, который лаборатория надеется вскоре реализовать с партнерами из Техасского медицинского центра.

«Если у вас есть ячейка на предметном стекле, вы сможете понять, где объекты в ячейке связаны друг с другом и как быстро они движутся», – сказал Моринго. «Камеры недостаточно быстры, чтобы захватить все, что происходит в камере, но наша система может».

По материалам phys.org