Das Gigapixel-3D-Mikroskop erfasst das Leben in beispielloser Detailtreue

Als ein paar tapfere Doktoranden mit ihrem zusammengestückelten Mikroskop das erste Bild machten, war es besser als erhofft. Sicher, in einem Abschnitt war ein Loch, und ein anderer stand auf dem Kopf – aber sie konnten Waldo immer noch finden.

Am nächsten Tag löste das Duo seine Softwareprobleme und demonstrierte ein erfolgreiches Proof-of-Principle-Gerät für das klassische Kinderpuzzlebuch. Indem sie 24 Smartphone-Kameras zu einer einzigen Plattform kombinierten und ihre Bilder zusammenfügten, schufen sie eine einzige Kamera, die in der Lage ist, Gigapixel-Bilder über einen Bereich von etwa der Größe eines Blattes Papier aufzunehmen.

Sechs Jahre, mehrere Design-Iterationen und ein Startup-Unternehmen später machten die Forscher eine unerwartete Entdeckung. Durch die Perfektionierung des Prozesses, Dutzende einzelner Kameras mit Subpixel-Auflösung gleichzeitig zusammenzufügen, konnten sie auch die Höhe von Objekten sehen.

„Es ist wie das menschliche Sehen“, sagte Roarke Horstmeyer, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik an der Duke University. „Wenn Sie mehrere Blickwinkel zusammenführen (wie es Ihre beiden Augen tun), sehen Sie Objekte aus verschiedenen Winkeln, wodurch Sie Höhe erhalten. Als unsere Kollegen, die Zebrafische untersuchten, es zum ersten Mal verwendeten, waren sie überwältigt. Es zeigte sofort neue Verhaltensweisen Tonhöhe und Tiefe, die sie noch nie zuvor gesehen hatten.“

In einem am 20. März online veröffentlichten Papier Naturphotonik, Horstmeyer und seine Kollegen zeigen die Fähigkeiten ihres neuen Hochgeschwindigkeits-3D-Gigapixel-Mikroskops namens Multi Camera Array Microscope (MCAM). Ob es um die Aufzeichnung von 3D-Filmen über das Verhalten von Dutzenden von frei schwimmenden Zebrafischen oder die Putzaktivität von Fruchtfliegen mit nahezu zellulären Details über ein sehr weites Sichtfeld geht, das Gerät eröffnet Forschern auf der ganzen Welt neue Möglichkeiten.

Die neueste Version von MCAM basiert auf 54 Objektiven mit höherer Lichtstärke und Auflösung als der Prototyp, den Waldo gefunden hat. Aufbauend auf jüngsten Arbeiten, die in enger Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Eva Naumann bei Duke durchgeführt wurden, verleiht die innovative Software dem Mikroskop die Fähigkeit, 3D-Messungen durchzuführen, mehr Details in kleineren Maßstäben zu liefern und flüssigere Filme zu erstellen.

Das stark parallelisierte Design des MCAM schafft jedoch seine eigenen Herausforderungen bei der Datenverarbeitung, da eine Aufzeichnung von wenigen Minuten mehr als ein Terabyte an Daten erzeugen kann. „Wir haben neue Algorithmen entwickelt, die diese extrem großen Videodatensätze effizient handhaben können“, sagte Kevin C. Zhou, Postdoktorand in Horstmeyers Labor und Hauptautor der Veröffentlichung. „Unsere Algorithmen vereinen Physik mit maschinellem Lernen, um die Videostreams aller Kameras zu verschmelzen und 3D-Verhaltensinformationen über Raum und Zeit hinweg wiederherzustellen. Wir haben unseren Code auf Github als Open Source für alle zum Ausprobieren bereitgestellt.“

An der University of California – San Francisco beobachtet Matthew McCarroll das Verhalten von Zebrafischen, die neuroaktiven Medikamenten ausgesetzt sind. Durch die Suche nach Verhaltensänderungen aufgrund verschiedener Medikamentenklassen können Forscher neue potenzielle Behandlungen entdecken oder bestehende besser verstehen.

In der Zeitung beschreiben McCarroll und seine Gruppe interessante Bewegungen, die sie dank der Verwendung dieser Kamera noch nie zuvor gesehen hatten. Die 3D-Fähigkeiten des MCAM, gepaart mit seiner allumfassenden Ansicht, ermöglichten es ihnen, Unterschiede in der Neigung der Fische aufzuzeichnen, ob sie zum oberen oder unteren Rand ihres Tanks tendierten und wie sie Beute verfolgten.

„Wir haben lange unsere eigenen Rigs mit einzelnen Objektiven und Kameras gebaut, die für unsere Zwecke gut funktioniert haben, aber das ist auf einer ganz anderen Ebene“, sagte McCarroll, ein unabhängiger Wissenschaftler, der pharmazeutische Chemie in der professionellen Forscherreihe des UC-Systems studiert . „Wir sind nur Biologen, die an der Optik basteln. Es ist unglaublich zu sehen, was ein echter Physiker sich einfallen lässt, um unsere Experimente zu verbessern.“

Bei Duke arbeitet auch das Labor von Michel Bagnat, Professor für Zellbiologie, mit Zebrafischen. Aber anstatt auf medikamenteninduzierte Verhaltensänderungen zu achten, untersuchen die Forscher, wie sich die Tiere auf zellulärer Ebene von einem Ei zu einem ausgewachsenen Erwachsenen entwickeln.

In früheren Studien mussten die Forscher die sich entwickelnden Fische betäuben und montieren, um sie ruhig zu halten, während Messungen mit Lasern durchgeführt wurden. Aber sie für längere Zeit auszuschalten, könnte auch zu Veränderungen in ihrer Entwicklung führen, die die Ergebnisse des Experiments verfälschen könnten. Mit Hilfe des neuen MCAM haben die Forscher gezeigt, dass sie in der Lage sind, all diese Messungen zu erhalten, während die Fische ihr Leben unbelastet leben, ohne dass Aussparungen oder Klemmen erforderlich sind.

„Mit den 3D- und Fluoreszenzbildgebungsfähigkeiten dieses Mikroskops könnte es die Art und Weise ändern, wie viele Entwicklungsbiologen ihre Experimente durchführen“, sagte Jennifer Bagwell, eine Forschungswissenschaftlerin und Laborleiterin im Bagnat-Labor. „Vor allem, wenn sich herausstellt, dass die Betäubung der Fische ihre Entwicklung beeinträchtigt, was wir gerade untersuchen.“

Neben der Verfolgung ganzer Gemeinschaften von Kleintieren wie Zebrafischen in Experimenten hofft Horstmeyer, dass diese Arbeit auch größere automatisierte Parallelstudien ermöglichen wird. Beispielsweise kann das Mikroskop eine Platte mit 384 Vertiefungen beobachten, die mit einer Vielzahl von Organoiden beladen sind, um potenzielle pharmazeutische Reaktionen zu testen, die zellulären Reaktionen jedes winzigen Experiments aufzuzeichnen und alle interessierenden Ergebnisse autonom zu kennzeichnen.

„Das moderne Labor wird jeden Tag stärker automatisiert, wobei große Well-Platten jetzt gefüllt und gewartet werden, ohne jemals eine menschliche Hand zu berühren“, sagte Horstmeyer. „Die schiere Menge an Daten, die dies mit sich bringt, erzeugt eine Nachfrage nach neuen Technologien, die helfen können, die Verfolgung und Erfassung der Ergebnisse zu automatisieren.“

Zusammen mit Co-Autor Mark Harfouche, der der Kopf hinter der Aufnahme ihres ersten Bildes von Waldo war, hat Horstmeyer ein Startup-Unternehmen namens Ramona Optics gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren. Einer seiner ersten Lizenzgeber, MIRA Imaging, nutzt die Technologie, um Kunstgegenstände, Sammlerstücke und Luxusgüter mit einem „Fingerabdruck“ gegen Fälschung und Betrug zu impfen.