Более простой путь к сверхвысокому разрешению: ученые заново изобретают микроскопию
Новая методика визуализации расширяет границы возможностей наблюдения за жизнью на микроскопическом уровне.
Понимание жизни на клеточном и субклеточном уровнях зависит от возможности детального изучения чрезвычайно малых биологических структур. Сверхразрешающая флуоресцентная микроскопия стала неотъемлемой частью современных исследований, поскольку позволяет ученым получать изображения за пределами возможностей традиционных оптических систем.
Среди этих методов выделяется микроскопия со структурированным освещением (SIM), сочетающая в себе высокое разрешение, быструю визуализацию и низкую фототоксичность, что делает ее хорошо подходящей для долгосрочных исследований живых клеток.
Даже при наличии этих преимуществ многие системы сверхвысокого разрешения остаются сложными в практическом применении. Высокопроизводительные версии, особенно SIM на основе интерференции, часто требуют сложных оптических схем, точной юстировки и громоздкого оборудования. Эти факторы увеличивают стоимость и ограничивают доступность, замедляя более широкое внедрение передовых инструментов визуализации в повседневные исследования и в лабораториях с ограниченными ресурсами.
Новый подход: PCA-iSIM
Команда из Лаборатории интеллектуальной вычислительной визуализации (SCILab) Нанкинского университета науки и технологий под руководством профессора Чао Цзо представила новый метод визуализации под названием PCA-iSIM. Эта система обеспечивает высокоразрешающую визуализацию в реальном времени, используя более компактную и экономичную конструкцию, устраняя ряд ограничений традиционных методов SIM.
SIM работает за счет использования структурированного света для смещения мелких деталей образца в диапазон, который может обнаружить микроскоп. Некогерентные системы SIM на основе цифровых микрозеркальных устройств (DMD) привлекли внимание, поскольку они меньше и проще, чем другие конструкции. Однако они сталкиваются с серьезной проблемой.
При использовании высокочастотных структур контрастность проецируемых полос значительно снижается из-за оптической передаточной функции. Это затрудняет обнаружение структур, что усложняет процесс оценки параметров освещения и получения точных изображений сверхвысокого разрешения.
Преодоление фундаментальных ограничений
Для решения этой проблемы исследователи разработали вычислительную стратегию, которая сочетает отображение коэффициентов высокой модуляции с анализом главных компонентов (PCA). Вместо того чтобы полагаться на слабые высокочастотные сигналы, метод связывает легко обнаруживаемые низкочастотные паттерны с их высокочастотными аналогами. Такой подход позволяет системе оценивать волновые векторы освещения даже при очень низком контрасте.
Затем PCA применяется для выделения наиболее сильных сигналов из зашумленных данных. Объясняя метод, профессор Цзуо говорит: «Используя возможности PCA по уменьшению размерности и подавлению шума, мы можем изолировать информацию, связанную с освещением, заложенную в данных, и точно восстановить субпиксельные параметры освещения».
Этот процесс повышает как надежность, так и точность оценки параметров, что крайне важно для получения четких изображений сверхвысокого разрешения.
Экспериментальная проверка и производительность
Команда протестировала PCA-iSIM, используя специально разработанную некогерентную SIM-систему на основе DMD. Результаты показывают улучшение разрешения более чем в 1,9 раза, достигая эффективного разрешения около 100 нм (0,0001 мм), при сохранении скорости получения изображений в реальном времени до 30 кадров в секунду.
Эти преимущества достигаются за счет значительно более простой оптической конструкции. По сравнению с традиционными лазерными системами SIM, новая установка снижает общую сложность почти на 70%, что упрощает ее сборку и использование.
Помимо улучшения разрешения, метод надежно работает в условиях низкого отношения сигнал/шум и при изменении экспериментальных настроек. Исследователи также продемонстрировали получение изображений митохондриальной активности в реальном времени в живых клетках, фиксируя структурные детали, которые стандартные широкопольные микроскопы не могут разрешить.
«Эта работа принципиально расширяет потолок производительности микроскопии с некогерентным структурированным освещением», — отмечают авторы. «Благодаря сочетанию компактного оборудования с передовой вычислительной реконструкцией, PCA-iSIM открывает новые возможности для доступной высокопроизводительной сверхразрешающей визуализации».
