Cuando se trata de obtener una mirada tridimensional de las células del cuerpo humano, no es muy diferente de averiguar con precisión dónde está una luciérnaga en un campo durante la noche. Podemos decir en qué dirección está, pero es un desafío saber qué tan lejos está.

Una luciérnaga emite luminiscentes, luz incoherente. Las ondas de luz se esparcen sin propagarse a lo largo de una dirección particular, lo que dificulta la determinación de la ubicación exacta de la luciérnaga.

Un murciélago volando por el cielo nocturno no tendría el mismo problema. Puede localizar fácilmente esa pobre luciérnaga lanzando una onda de sonido en la dirección de la mosca y escuchando el eco de retorno. La onda de sonido del murciélago es coherente y direccional, permitiéndole señalar la ubicación de la luciérnaga con las ondas sonoras retrodispersadas.

La dispersión de ondas coherente similar se utiliza en todo tipo de tecnologías cotidianas, incluyendo ecografías, sonar, Radar, y difracción óptica coherente. Todos estos métodos requieren ondas coherentes, con picos y valles de onda que se comportan bien a medida que se propaga. En el mundo de la óptica, los láseres exhiben la misma coherencia de onda.

Con el apoyo de fondos de los Institutos Nacionales de Salud, el grupo del profesor Randy Bartels de ingeniería eléctrica e informática, en colaboración con el profesor Ali Pezeshki, Dr. Jeff Field, Profesor Jeff Squier de la Escuela de Minas de Colorado, y el estudiante de posgrado Patrick Stockton, encontró una manera de tratar la emisión de luz incoherente como si fuera luz coherente. Esta nueva tecnología permite al equipo recolectar luz incoherente emitida por moléculas fluorescentes y reconstruir modelos digitales en 3D del objeto.

"Ahora tenemos una forma completamente nueva de averiguar de dónde proviene la luz fluorescente que antes no era accesible, "dijo Bartels.

Creando un modelo a partir de luz incoherente

Publicado en la revista Optica , El grupo de Bartels combinó la óptica y los cálculos matemáticos para desarrollar una nueva estrategia que da forma a la luz fluorescente incoherente emitida por un objeto para formar una imagen tridimensional de alta resolución.

Bartels compara la estrategia con la ecografía que crea una imagen de una célula u otro objeto dentro del cuerpo humano. El ultrasonido utiliza las oscilaciones de las ondas sonoras reflejadas en un objeto para crear una imagen, utilizando cálculos matemáticos para calcular las diferencias en la distancia y el tiempo que tomó devolver una onda al detector.

El problema con la luz fluorescente, utilizado a menudo en microscopios ópticos, es que la luz es incoherente. La emisión fluorescente incoherente altera la fase de la luz emitida, que oculta la ubicación de los emisores fluorescentes.

El equipo colaborativo empleó una estrategia que imita la dispersión de luz coherente en una imagen de emisión de luz incoherente. transfiriendo diferencias en la fase de haces espacialmente coherentes en una variación temporal de emisión de luz fluorescente. Usando una modulación espacial y temporal de la luz de iluminación, junto con un modelo matemático de la formación de la señal, el equipo creó un modelo 3D de mayor resolución mediante la inversión computacional de los datos.

El proceso imita la preservación de la oscilación coherente de la luz en el proceso de dispersión, devolviendo mediciones de la ubicación precisa y el brillo de los objetos que emiten luz incoherente.

"Tenemos una secuencia de luz con forma que usamos para iluminar el objeto y luego simplemente medimos la potencia del fluorescente que sale del objeto. Estos datos, cuando se combinan con un modelo matemático, nos permiten averiguar las distribuciones tridimensionales de moléculas, ", dijo Bartels." Este proceso imita la dispersión coherente de forma muy parecida a las imágenes de ultrasonido ".

Combinando matemáticas y óptica para crear modelos

Tomar todas esas medidas de luz da datos, pero solo es útil si se puede construir el modelo correcto para interpretarlo.

Las tomografías computarizadas y las resonancias magnéticas utilizan modelos matemáticos similares para tomar datos que son representaciones de baja dimensión del objeto para construir una imagen tridimensional detallada. Usar luz incoherente para crear un modelo digital 3D requiere una nueva estrategia impulsada matemáticamente.

Ahí es donde entra el profesor de ingeniería eléctrica e informática Ali Pezeshki.

Usando datos de las mediciones de potencia total de la luz con forma que sale de un objeto fluorescente, Los modelos matemáticos de Pezeshki evitan que el ruido gestionado y la información valiosa se entierren. Las distribuciones tridimensionales de moléculas se pueden recopilar como si fueran coherentes.

Colaboración sinérgica

Este trabajo es uno de los aspectos más destacados de una productiva colaboración multidisciplinaria entre el grupo de Bartels y el grupo Squier en la Escuela de Minas de Colorado.

"Se convierte en una colaboración sinérgica, ", dijo Bartels." Tiene que ser una conversación entre personas de diferente experiencia para comprender las limitaciones de los diferentes dominios ".

Desde 2016, los grupos han colaborado en casi una docena de publicaciones publicadas, con más escritos. Los esfuerzos interdisciplinarios de las matemáticas, Ciencias, y la ingeniería les permite ampliar los límites de las imágenes ópticas con aplicaciones que van desde la fabricación avanzada hasta la neurociencia.

"Los estudiantes realmente pueden ver los problemas desde las diferentes perspectivas proporcionadas por Randy, Jeff Field, Ali y yo ", dijo Squier." Hemos logrado avances en la imagen que sospecho que ninguno de nosotros previó hasta que lanzamos este esfuerzo de colaboración y ahora lo estamos aplicando en dominios que no habíamos imaginado anteriormente ".