«Улучшение технологии, доступной ученым-биологам, может улучшить наше понимание биологии, что, в свою очередь, приведет к созданию лучших лекарств и методов лечения, доступных врачам», – сказал руководитель исследовательской группы Паоло Поцци из Университета Модены и Реджо-Эмилии в Италии.
В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters Поцци и многопрофильная группа исследователей из Делфтского технологического университета (TU Delft), CNR-Института фотоники и нанотехнологий (CNR-IFL) и Университетского медицинского центра Роттердама описывают свои новые адаптивные линзы. устройство. Они также показывают, как его можно легко установить на объектив коммерческого многофотонного микроскопа для улучшения качества изображения.
«Этот подход позволит передовым оптическим методам, таким как многофотонная микроскопия, получать изображения глубже под поверхностью мозга живых организмов», – сказал Стефано Бонора, руководитель группы CNR-IFL. "Мы с нетерпением ждем возможности увидеть, как это может быть реализовано в других системах, таких как световые микроскопы, системы сверхвысокого разрешения или даже простые эпифлуоресцентные микроскопы."
Визуализация глубже
Оптическая микроскопия может использоваться для получения изображений биологических образцов в естественных условиях, что позволяет наблюдать различные биологические процессы с течением времени. Однако, когда свет проходит через ткань, он искажается. Это искажение усиливается по мере того, как свет проникает глубже в ткань, из-за чего изображения выглядят размытыми и скрывают важные детали.
Адаптивная оптика, технология, первоначально разработанная для компенсации атмосферной турбулентности при использовании телескопов для наблюдения за небесными объектами, может использоваться для коррекции оптических аберраций, возникающих при визуализации через толстую ткань. Однако для этого обычно требуется создание специального микроскопа с деформируемым зеркалом.
Это зеркало используется для компенсации искажений, создавая изображение, которое выглядит резким и четким.
«Включение деформируемого зеркала в существующий микроскоп практически невозможно, и на рынке еще нет коммерческого адаптивного микроскопа», – сказал Поцци. "Это означает, что единственный вариант для естествоиспытателя использовать адаптивную оптику – это построить весь микроскоп с нуля, что слишком сложно и требует много времени для большинства лабораторий наук о жизни."
Более простой подход
Чтобы упростить эту настройку, исследователи создали интеллектуальную линзу из стекла, настолько тонкого, что его можно сгибать, не разбиваясь. Линза представляет собой стеклянный контейнер в форме диска, наполненный прозрачной жидкостью.
Набор из 18 механических приводов на краях стекла, которыми можно управлять с помощью компьютера, чтобы изгибать стекло до желаемой формы.
Линза работает как деформируемое зеркало, используемое в большинстве установок адаптивной оптики, но вместо того, чтобы отражать свет, она пропускает свет.
Когда свет проходит через жидкость внутри линзы, он по-разному искажается в зависимости от формы линзы. «Это похоже на искаженное изображение, которое вы видите, когда смотрите через бутылку с водой, сжимая ее руками», – сказал Бонора.
Использование объектива для коррекции адаптивной оптики требует сложного алгоритма управления исполнительными механизмами. «Эффективная оптическая коррекция стала возможной благодаря алгоритму DONE (онлайновый поиск нелинейных экстремумов в базе данных), очень элегантному решению, основанному на принципах машинного обучения, которое мы ранее разработали в Техническом университете Делфта», – сказал Поцци.
Быстрые результаты
Исследователи протестировали новое программное обеспечение, которое также доступно другим пользователям через github, и адаптивный объектив, применив его к объективу коммерческого многофотонного микроскопа.
Они использовали микроскоп для визуализации кальция в мозгу живых мышей, что стало одним из самых сложных экспериментов в области наук о жизни, проведенных с помощью микроскопов.
«Мы превзошли наши ожидания, добившись очень хороших результатов в течение нескольких часов», – сказал Поцци. «Эту технологию можно модернизировать на любом существующем микроскопе, который имеет сменные объективы и отображает изображения на экране компьютера."
В настоящее время исследователи тестируют систему на других типах микроскопов и образцов, а также изучают, можно ли использовать несколько адаптивных линз для достижения лучшей коррекции, чем это возможно с более сложными методами с использованием деформируемых зеркал.
Команда также основала дочернюю компанию Dynamic Optics srl для коммерциализации мультиактуаторных адаптивных линз.
Новый объектив также может быть полезен не только для микроскопии. «Наше новое устройство может также применяться в других областях, таких как оптическая связь в свободном пространстве, где оно может повысить скорость передачи данных и обеспечить передачу данных в удаленные и изолированные районы», – сказал Поцци.