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Nov 15, 2023

3D高解像度を実現する計算顕微鏡

2023 年 8 月 8 日 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

2023 年 8 月 8 日

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オプティカ

研究者らは、広視野でシングルショットの 3D 高解像度イメージングを可能にする計算ミニチュア メゾスコープの新しいアップグレードを報告しています。 シンプルで低コストの小型機器は、広範囲にわたる大規模な 3D 蛍光イメージングおよび神経記録アプリケーションに役立つ可能性があります。

ボストン大学の Qianwan Yang 氏は、Optica Imaging Congress でこの研究を発表します。 ハイブリッド会議は、2023 年 8 月 14 ～ 17 日にマサチューセッツ州ボストンで開催されます。

「自由に動く動物の神経記録は、脳の機能的相互作用が動機や行動によって変化するため、極めて重要です。メゾスコープは、動物が複雑で認知的に要求の高い行動をとっているときに、マウスの皮質の全範囲にわたる活動を細胞解像度で測定することを目的としています。蛍光顕微鏡検査は一般的に行われます。生物学的な構造や力学を研究するために使用されますが、ほとんどの顕微鏡は視野、解像度、システムの複雑さの間のトレードオフを必要とします」とヤン氏は説明します。

「顕微鏡の限界を克服するために、ボストン大学のティアン教授と彼のグループは、高い空間分解能と広い視野の両方を備えた顕微鏡である計算ミニチュア メソスコープ (CM2) を開発しました。この装置は計算イメージングに基づいています。イメージング ハードウェアと計算アルゴリズムを組み合わせて、他の方法では不可能なイメージング機能を実現します。」

研究者らは最近、光のスループットと画像のコントラストを大幅に向上させる新しい小型光学系を追加することでメソスコープをアップグレードしました。 また、軸方向の分解能と再構成速度を大幅に向上させる新しい深層学習モデルも開発しました。 完成したシステムは、既製の 3D プリントコンポーネントを使用することでシンプルかつ低コストになります。

ハードウェアのアップグレードには、自由曲面光学に基づいており、透明樹脂と卓上 3D プリンターを使用して製造された小型 LED コリメータが含まれていました。 それぞれの重量がわずか 0.03 グラムの新しいコリメータを機器の 4 個の LED アレイ照明器に追加することにより、光効率は約 80% に達しました。 このアップデートにより、直径 8 mm の円形領域全体で最大 75 mW の励起パワーを備えた高度に制限された均一な照明も生成されました。 研究者らは、干渉フィルターと吸収フィルターを組み合わせた新しいハイブリッド発光フィルターを組み込むことで、画像のコントラストを向上させました。

新しい深層学習モデルは、画像形成の計算面を最適化し、広い視野にわたって高品質の 3D イメージングを可能にします。 このアルゴリズムにより、軸方向分解能が約 25 μm に向上し、これまでに再構成に使用されていた方法よりも約 8 倍向上しました。同時に、視野 7 mm、深さ 0.8 mm のボリュームの再構成時間を 4 秒未満に短縮しました。

ヤン氏はさらに、「今後の研究は、組織散乱という未解決の課題に対処することに焦点を当てることになる。我々は、CM2の有用性を拡大するために、小型構造化照明技術や散乱を組み込んだ3D再構成フレームワークなどの有望な解決策を探求することを構想している。」と付け加えた。

オプティカ社提供