Um microscópio de fluorescência em miniatura que pesa menos, mas oferece alta resolução em comparação aos dispositivos existentes, terá uma gama de aplicações em biologia de sistemas. Os microscópios de fluorescência em miniatura existentes são uma técnica padrão nas ciências da vida, mas eles oferecem apenas informações bidimensionais (2-D). Em um novo relatório agora em Nature Light:Ciência e Aplicações , Kyrollos Yanny, Nick Antipa e uma equipe de cientistas do Programa Conjunto de Pós-Graduação em Bioengenharia, Engenharia Elétrica e Ciências da Computação na Universidade da Califórnia, Berkeley e a Universite libre de Bruxelles Belgium, desenvolveu um microscópio de fluorescência 3-D de disparo único. Eles projetaram o novo dispositivo conhecido como Miniscope3D substituindo a lente do tubo de um miniscópio 2-D convencional por uma máscara de fase multifocal otimizada no batente de abertura da objetiva. Usando o dispositivo, Yanny e Antipa et al. atividade neural registrada opticamente em animais em movimento livre e em aplicações de imagem in situ de longo prazo em incubadoras e em dispositivos lab-on-a-chip.

Imagem de fluorescência em miniatura e inovações técnicas

Os microscópios de fluorescência em miniatura são importantes na biologia de sistemas para registros ópticos da atividade neural em animais em movimento livre, imagem in situ de longo prazo em incubadoras e dispositivos médicos. Esses microscópios também são conhecidos como "miniscópios" e são feitos de partes impressas 3-D, embora oferecendo apenas imagens de fluorescência 2-D. Os métodos de disparo único podem permitir velocidades de captura mais rápidas e uma resolução temporal limitada pela taxa de quadros da câmera. Por exemplo, um microscópio de campo de luz em miniatura desenvolvido anteriormente (MiniLFM) pode processar a atividade neural com um algoritmo otimizado. Nesse trabalho, Yanny et al. desenvolveu um miniscópio 3-D para obter maior resolução com peso mais leve em comparação com as técnicas existentes. A equipe testou as capacidades microscópicas por imagens de alvos de resolução fluorescente, bem como amostras biológicas nadando livremente e tecido cerebral de camundongos. Eles validaram os resultados reconstruídos em comparação com a microscopia de dois fótons para entender os limites da nova técnica.

Para obter imagens de alta qualidade em um pequeno, dispositivo de baixo peso, Yanny et al. colocou a máscara de fase (onde a luz que passa através da máscara sofrerá uma mudança de fase proporcional à espessura do material) no espaço de Fourier para reduzir a carga computacional e melhorar a compactação. Eles adicionaram recursos 3-D ao miniscópio 2-D ao custo de uma pequena perda na resolução lateral e menor relação sinal-ruído. O algoritmo uniu a teoria óptica com sensoriamento comprimido para fabricar as máscaras de fase otimizadas. A técnica facilitou uma nova arquitetura de microscópio 3D em miniatura com maior resolução, designs de código aberto, fabricação de alta qualidade e um esquema de calibração eficiente ou algoritmo de reconstrução.

Caracterizando o microscópio computacional e investigando o cérebro do rato

A equipe testou o desempenho do microscópio computacional usando amostras de complexidade crescente para capturar gravações dinâmicas 3-D. Eles mediram a resolução lateral em diferentes profundidades por meio de imagens de um alvo de resolução fluorescente. Eles então validaram a precisão de seus resultados usando microscopia de dois fótons. Por exemplo, o Miniscope3D pode recuperar com precisão todas as imagens reconstruídas do pós-processamento da amostra de grânulo fluorescente 3-D. Eles mostraram o potencial do método usando amostras neurobiológicas onde regiões marcadas com proteína fluorescente verde expressavam populações esparsas de neurônios em toda a amostra. As imagens reconstruídas obtidas de diferentes partes do hipocampo mostraram dendritos correndo pela superfície ao lado de corpos celulares individuais. Quando Yanny et al. em seguida, investigou amostras dinâmicas de natação livre, tardígrados tingidos de verde (também conhecidos como ursos d'água), as imagens reconstruídas mostraram a eficiência da imagem do Miniscope3D para rastrear organismos biológicos que se movem livremente em alta resolução no espaço-tempo.

Aplicativos e acessibilidade do dispositivo

A maioria das aplicações do Miniscope3D será semelhante à microscopia 3-D e MiniLFM (microscopia de campo de luz em miniatura), que é considerado o padrão ouro para imagens de fluorescência 3D em miniatura de disparo único. Comparado ao MiniLFM, Contudo, o novo método Miniscope3D ofereceu várias melhorias, incluindo lentes multifocais, melhor - resolução lateral do caso e um aumento de 10 vezes no volume de medição utilizável. O desempenho aprimorado chegou em um pacote de hardware menor que o MiniLFM com peso mais leve para observar organismos em movimento livremente. O método permitiu ainda a reconstrução experimental com ou sem espalhamento para tecido cerebral de camundongo em resolução de neurônio único. A equipe vai otimizar os limites existentes do dispositivo, incluindo espalhamento, para outras aplicações.

Com base em uma plataforma popular de miniscópio de código aberto, Yanny et al. forneceu acessibilidade para o design do Miniscope3D. Desta maneira, Kyrollos Yanny, Nick Antipa e colegas forneceram um protótipo 3-D como uma oportunidade para atualizar os miniscópios 2-D atualmente em uso em 450 laboratórios. Os resultados experimentais estavam de acordo com o projeto teórico e a análise para servir como uma estrutura útil para sistemas 3-D de ação única customizados.

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