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Il laboratorio del vincitore Nobel unisce le stelle, occhi con microscopia

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Una nuova tecnica di microscopia prende più acutamente prima le indicazioni da astronomia e dall'oftalmologia ai campioni di immagine più profondi e.

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I biologi delle cellule hanno due obiettivi quando viene a formazione immagine un campione: vogliono all'immagine più profonda e più profonda mentre ancora ottengono i risultati ad alta definizione e vogliono osservare le cellule nel loro ambiente naturale. Mentre i microscopi chiari sono scelti spesso per le applicazioni di formazione immagine, la tecnica non va così bene una volta confrontata con i campioni biologici complessi? pensi il petrolio e l'acqua.

I campioni biologici piegano la luce nei sensi imprevedibili? illumini da un punto di un oggetto non converge in o non diverge da un unico dopo la trasmissione attraverso il sistema di formazione immagine. Ciò causa l'aberrazione, che a sua volta conduce al storto a, immagini confuse e le informazioni inutilizzabili. Rifrazione? il fenomeno che accade quando le onde viaggiano da un mezzo con un indice di rifrazione ad un mezzo con un altro? è incolpare di l'aberrazione in campioni biologici.

Secondo Kai Wang, un collega postdoctoral medico dell'istituto del Howard Hughes (HHMI), aberrazione in campioni biologici si presenta a causa di un disadattamento rifrangente di immagine. Su una piccola scala, la dispersione della luce è presente, ma non significativa. Tuttavia quando prova all'immagine sopra i più grandi campioni, la luce viaggia dal campione, rendendo i risultati inutili.

? L'aberrazione è più di un problema in grandi campioni perché i disadattamento di indice di rifrazione cominciano accumularsi poichè andate più profondo e più profondo in un campione? dice Wang.

Capo del gruppo di ricerca dell'azienda agricola di HHMI Janelia e 2014 vincitore del premio Eric Betzig, Wang e la loro squadra Nobel di chimica girati in oftalmologia ed in astronomia per contribuire a risolvere questo problema. Hanno unito le strategie adattabili di ottica (AO) da entrambi i campi per sviluppare una tecnologia dell'immagine che corregge velocemente per le distorsioni ed affila le immagini ad alta definizione sopra i grandi volumi di campione. Il metodo di AO funziona in tessuti che non spargono la luce, rendente esso ben adattati a formazione immagine i corpi trasparenti dello zebrafish o dei elegans di Caenorhabditis dell'ascaride, entrambi gli organismi di modello importanti nella biologia. Mentre il video alla destra dimostra, la tecnica di AO introduce nel fuoco le strutture e gli organelli sottocellulari delle cellule di nervo in profondità nel cervello di uno zebrafish vivente.

Lo stesso concetto, campo differente

Le ottica adattabili in primo luogo sono state introdotte nell'astronomia, si sono applicate all'oftalmologia alle immagini corrette delle retine (che sono storte quando luce passata tramite la cornea e l'obiettivo), quindi sono state realizzate in microscopia per correggere per l'eterogeneità dipiegamento dei tessuti biologici.

? Esso? s tutto il stesso concetto? dice Wang. ? Voi? re appena alla ricerca del particolare differente.?

Gli astronomi applicano il AO lucidando un laser su nell'atmosfera nello stesso senso dell'oggetto che vogliono osservare, così stabilendo un cosiddetto? stella della guida?. Il rinvio chiaro da questa stella della guida ottiene storto mentre attraversa through l'atmosfera turbolenta di nuovo al telescopio. Per mezzo di un sensore di fronte d'onda, gli astronomi misurano direttamente questa distorsione, quindi usano le misure per deformare uno specchio del telescopio per annullare fuori le aberrazioni atmosferiche. La correzione dà un parere molto più chiaro dell'oggetto in questione.

Il sistema standard del microscopio di AO contiene tre componenti? il sensore di forma d'onda, il dispositivo di correzione di forma d'onda e la guida integrale star.

? In primo luogo, il sensore di forma d'onda misura l'aberrazione? dice Wang, spiegante il processo. ? La forma d'onda che corregge il dispositivo lo lascia conoscere l'aberrazione di forma d'onda o applicare una correzione che corrisponde a quell'aberrazione che permetterà le immagini ad alta definizione. Per di più comunque, dovete trovare una stella della guida, che funziona con il sensore di forma d'onda per dirgli che cosa l'aberrazione è. Tutta l'innovazione in questo campo viene dalla rappresentazione fuori come generare una stella della guida.?

In 2010, Betzig ha sviluppato una tecnica di microscopia che ha usato un oggetto fluorescente, quali un corpo delle cellule o un branello incastonato, come la stella della guida. Ciò è stata permessa a dalla sua tecnica di microscopia della singolo-molecola, in primo luogo impiegata in 2006, che appena ha guadagnato a Betzig un premio 2014 Nobel.

Con la stella della guida come oggetto fluorescente, l'obiettivo può essere imaged molte volte dagli angoli differenti determinare la correzione necessaria. Il problema con l'applicazione della questa tecnica ai grandi campioni biologici è che il processo è lento ed espone un campione a luce offensiva ed a materiale artificiale. Che Betzig e Wang ha avuto bisogno di era una tecnica veloce, non invadente, ad alta definizione che potrebbe correggere per le eterogeneità nel complesso, campioni biologici trasparenti, particolarmente sopra un grande volume.

La tecnica

In primo luogo, Betzig? la squadra di s ha generato una stella della guida mettendo a fuoco la luce dal microscopio in un punto d'ardore all'interno del campione. Usando una tecnica ha denominato l'eccitazione del due-fotone, hanno penetrato la luce infrarossa profonda nel tessuto ed hanno illuminato un punto specifico. Il sensore di fronte d'onda allora ha determinato come la luce che ha rinviato dalla stella della guida aveva deformato come esso ha attraversato il tessuto, permettendo alla correzione adatta di applicarsi.

Mentre era una buona prima prova, il didn di tecnica? la t risolve altretanti problemi di formazione immagine come sperato. Mentre la luce dalla stella della guida ha rinviato al sensore, il fronte d'onda ha ottenuto estremamente irregolare, che non è il caso nell'astronomia. Ancora, una correzione che ha funzionato ad un wouldn del punto? la t necessariamente è efficace in un posto altrove nel campione che piega le onde chiare in un modo diverso.

Così, i ricercatori hanno deciso di esplorare la stella della guida sopra una piccola regione del campione, invece di focalizzazione esso su un punto. Betzig e Wang hanno rimbalzato la luce fuori dagli specchi per proiettare la stella della guida ai punti differenti nell'esemplare. Il fronte d'onda risultante ha generato una correzione dell'influenza (del raggruppamento) sopra la regione esplorata.

? Era un rapporto tra la correzione localizzata e completa o la correzione dell'influenza (del raggruppamento)? spiega Wang. ? Quando stavamo esaminando i grandi campioni, abbiamo provato a cominciare con la correzione totale su un a punto unico, ma abbiamo notato che l'aberrazione è così complicata che neppure il più grande sensore di fronte d'onda non potrebbe trattare la diversità in campioni biologici. La media che complicata di aberrazioni dovete conoscere più circa il campione ed a che cosa assomiglia, che a loro volta i mezzi voi hanno bisogno molto più del segnale di fluorescenza misurare la correzione di aberrazione. Prendendo la media delle aberrazioni complicate, potevamo ottenere le stesse informazioni sopra il volume del campione invece di spremuta esso tutto su un punto.?

All'immagine un profilato di grandi dimensioni del tessuto, un microscopio può generare i dieci di migliaia di immagini di più piccoli volumi, ogni richiesta della relativa propria correzione di AO. Qui, punto per punto la correzione essenzialmente elimina tutta la possibilità di formazione immagine veloce. Secondo Betzig, la nuova tecnica medio-centrica tratta molto più meglio questa operazione, aggiornando le relative correzioni in appena 14 millisecondi.

? La nostra tecnica è realmente robusta ed indossate? necessità qualche cosa di t speciale di applicare tecnologia? dice Wang. ? In avvenire, ha potuto essere una componente aggiunta conveniente ai microscopi disponibili nel commercio.

? Vogliamo più ulteriormente spingere il limite della tecnologia? continua. ? Vogliamo provare a ampliare il AO a formazione immagine di eccellente-risoluzione per quelle che devono ottenere ancora più profondi in un campione.? Poiché dopo tutto, i biologi delle cellule hanno due obiettivi semplici quando viene a formazione immagine un campione? essere più importante l'abilità all'immagine più profonda e più profonda mentre ancora ottiene l'alta (o) risoluzione eccellente risulta.

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