Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de aumentar a velocidade de imagem da microscopia de dois fótons em até cinco vezes, sem comprometer a resolução. Essa velocidade recorde de imagem permitirá que os cientistas observem fenômenos biológicos que antes eram muito fugazes para serem reproduzidos com a microscopia avançada atual.

No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , pesquisadores liderados por Shih-Chi Chen da Universidade Chinesa de Hong Kong descrevem como eles combinaram uma abordagem de imagem computacional conhecida como imagem compressiva com um método de varredura mais rápido. Eles usaram o novo método para adquirir imagens de microscopia de dois fótons de um grão de pólen em menos de um segundo. Isso levaria cinco vezes mais tempo usando a abordagem tradicional.

"Este novo método de microscopia de dois fótons baseado em sensor de compressão será útil para visualizar uma rede neural ou monitorar a atividade de centenas de neurônios simultaneamente, "disse Chenyang Wen, primeiro autor do artigo. "Tipicamente, neurônios transmitem sinais em uma escala de tempo de 10 milissegundos, quais sistemas convencionais são muito lentos para seguir. "

Digitalização mais rápida

A microscopia de dois fótons funciona fornecendo pulsos ultrarrápidos de luz laser infravermelha para a amostra, onde ela interage com tecidos ou etiquetas fluorescentes que emitem sinais usados ​​para criar uma imagem. É amplamente utilizado para pesquisas em biologia devido à sua capacidade de produzir alta resolução, Imagens 3-D com profundidade de até um milímetro. Essas vantagens, Contudo, vêm com uma velocidade de imagem limitada porque as condições de pouca luz exigem detectores pontuais que requerem aquisição e reconstrução de imagem ponto a ponto.

Para acelerar a imagem, os pesquisadores desenvolveram anteriormente um método de iluminação a laser multifocal que usa um dispositivo de microespelho digital (DMD), um tipo de scanner de luz de baixo custo normalmente usado em projetores. "Pensava-se que esses DMDs não funcionariam com lasers ultrarrápidos, "disse Chen." No entanto, recentemente abordamos esse problema, que permitiu a aplicação de DMDs em aplicações de laser ultrarrápido que incluem a formação de feixe, modelagem de pulso, varredura rápida e imagem de dois fótons. "

p O DMD gera de cinco a 30 pontos de luz laser focada em locais selecionados aleatoriamente dentro de um espécime. A posição e a intensidade de cada ponto de luz são controladas por um holograma binário que é projetado no dispositivo. Durante cada medição, o DMD faz o reflash do holograma para alterar a posição de cada foco e registra a intensidade da fluorescência de dois fótons com um detector de pixel único. Embora, de muitas maneiras, A digitalização multi-foco DMD é mais flexível e rápida do que a digitalização raster tradicional, a velocidade ainda é limitada pela taxa na qual o dispositivo pode formar padrões de luz.

A combinação de métodos traz imagens mais rápidas

No novo trabalho, os pesquisadores aumentam ainda mais a velocidade da imagem combinando varredura multifoco com detecção compressiva. Essa abordagem computacional permite a reconstrução da imagem com menos exposições porque realiza a amostragem e a compactação da imagem em uma única etapa e, em seguida, usa um algoritmo para preencher as informações que faltam. Para microscopia de dois fótons, permite que uma amostra seja reconstruída usando 70 a 90 por cento menos exposições do que as abordagens tradicionais.

Depois de realizar um experimento de simulação para demonstrar o desempenho do novo método e identificar os parâmetros ideais, os pesquisadores o testaram com experimentos de imagem de dois fótons. Esses experimentos demonstraram a capacidade da técnica de produzir imagens 3-D de alta qualidade com altas velocidades de imagem de qualquer campo de visão. Por exemplo, eles foram capazes de adquirir imagens de cinco camadas em um grão de pólen, com cada camada medindo 100 × 100 pixels, em apenas 0,55 segundos. As mesmas imagens adquiridas com a varredura raster levaram 2,2 segundos.

p "Conseguimos um aumento de 3 a 5 vezes na velocidade de imagem sem sacrificar a resolução ao obter imagens de regiões selecionadas arbitrariamente em espécimes 3-D, ", disse Wen." Acreditamos que esta nova abordagem baseada em sensoriamento compressivo será útil para uso com abordagens como a optogenética em que a luz é usada para controlar os neurônios e levará a novas descobertas em biologia e medicina. "

Os pesquisadores estão trabalhando para melhorar ainda mais a velocidade do algoritmo de reconstrução e a qualidade da imagem. Eles também planejam usar a plataforma DMD com outras técnicas de imagem avançadas, como correção de frente de onda, que permite imagens de tecidos profundos.