Los investigadores han desarrollado una forma de mejorar la velocidad de imagen de la microscopía de dos fotones hasta cinco veces sin comprometer la resolución. Esta velocidad récord de imágenes permitirá a los científicos observar fenómenos biológicos que antes eran demasiado fugaces para obtener imágenes con la microscopía avanzada de vanguardia actual.

En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , Los investigadores dirigidos por Shih-Chi Chen de la Universidad China de Hong Kong describen cómo combinaron un enfoque de imágenes computacionales conocido como imágenes de compresión con un método de escaneo más rápido. Utilizaron el nuevo método para adquirir imágenes de microscopía de dos fotones de un grano de polen en menos de un segundo. Esto llevaría cinco veces más usando el enfoque tradicional.

"Este nuevo método de microscopía de dos fotones basado en sensores de compresión será útil para visualizar una red neuronal o monitorear la actividad de cientos de neuronas simultáneamente, "dijo Chenyang Wen, primer autor del artículo. "Típicamente, las neuronas transmiten señales en una escala de tiempo de 10 milisegundos, qué sistemas convencionales son demasiado lentos para seguir ".

Escaneo más rápido

La microscopía de dos fotones funciona mediante la entrega de pulsos ultrarrápidos de luz láser infrarroja a la muestra donde interactúa con el tejido o las etiquetas fluorescentes que emiten señales que se utilizan para crear una imagen. Se utiliza ampliamente para la investigación en biología debido a su capacidad para producir alta resolución, Imágenes 3-D hasta una profundidad de un milímetro. Estas ventajas, sin embargo, vienen con una velocidad de imagen limitada porque las condiciones de poca luz requieren detectores puntuales que requieren la adquisición y reconstrucción de imágenes punto por punto.

Para acelerar las imágenes, los investigadores desarrollaron previamente un método de iluminación láser de enfoque múltiple que utiliza un dispositivo de microespejos digitales (DMD), un tipo de escáner de luz de bajo costo que se usa típicamente en proyectores. "Se pensaba que estos DMD no podían funcionar con láseres ultrarrápidos, "dijo Chen." Sin embargo, recientemente abordamos este problema, que ha permitido la aplicación de DMD en aplicaciones láser ultrarrápidas que incluyen modelado de haz, forma de pulso, escaneo rápido e imágenes de dos fotones ".

El DMD genera de cinco a 30 puntos de luz láser enfocada en ubicaciones seleccionadas al azar dentro de una muestra. La posición y la intensidad de cada punto de luz están controladas por un holograma binario que se proyecta en el dispositivo. Durante cada medición, el DMD vuelve a destellar el holograma para cambiar la posición de cada foco y registra la intensidad de la fluorescencia de dos fotones con un detector de un solo píxel. A pesar de que, de muchas maneras, El escaneo de enfoque múltiple DMD es más flexible y más rápido que el escaneo de trama tradicional, la velocidad aún está limitada por la velocidad a la que el dispositivo puede formar patrones de luz.

La combinación de métodos permite obtener imágenes más rápidas

En el nuevo trabajo los investigadores aumentan aún más la velocidad de la imagen al combinar el escaneo de múltiples focos con la detección por compresión. Este enfoque computacional permite la reconstrucción de imágenes con menos exposiciones porque lleva a cabo el muestreo y la compresión de imágenes en un solo paso y luego utiliza un algoritmo para completar la información faltante. Para microscopía de dos fotones, permite la reconstrucción de una muestra utilizando entre un 70 y un 90 por ciento menos de exposiciones que los métodos tradicionales.

Después de realizar un experimento de simulación para demostrar el rendimiento del nuevo método e identificar los parámetros óptimos, los investigadores lo probaron con experimentos de imágenes de dos fotones. Estos experimentos demostraron la capacidad de la técnica para producir imágenes tridimensionales de alta calidad con altas velocidades de imagen desde cualquier campo de visión. Por ejemplo, pudieron adquirir imágenes de cinco capas en un grano de polen, con cada capa que mide 100 × 100 píxeles, en solo .55 segundos. Las mismas imágenes adquiridas con el escaneo de trama demoraron 2.2 segundos.

"Logramos una mejora de 3 a 5 veces en la velocidad de obtención de imágenes sin sacrificar la resolución al obtener imágenes de regiones seleccionadas arbitrariamente en muestras 3-D, ", dijo Wen." Creemos que este nuevo enfoque basado en la detección compresiva será útil para usar con enfoques como la optogenética en la que la luz se usa para controlar las neuronas y conducirá a nuevos descubrimientos en biología y medicina ".

Los investigadores están trabajando para mejorar aún más la velocidad del algoritmo de reconstrucción y la calidad de la imagen. También planean usar la plataforma DMD con otras técnicas avanzadas de imágenes como la corrección del frente de onda, que permite la obtención de imágenes de tejidos profundos.