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.
