Neue Methoden zur Verbesserung hochauflösender Bildgebungsverfahren geben Biologen einen klareren und vollständigeren Einblick in das Innenleben lebender Zellen.
Ein neues Papier rein Naturbiotechnologie vom Shroff Lab am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute (HHMI) beschreibt zwei praktische Möglichkeiten zur Verbesserung der axialen (oder z) Auflösung der 3D-Strukturbeleuchtungsmikroskopie, einer Technik, um in lebende Zellen zu sehen, die vom ehemaligen Janelia Group Leader Mats entwickelt wurde Gustafsson, der 2011 starb.
Bei 3D-SIM und anderen Fluoreszenzmikroskopietechniken ist die axiale Auflösung des Bildes oft verschwommen. Das bedeutet, dass Forscher Details in zwei Dimensionen, auf der x- und y-Ebene, deutlich sehen können, aber Details in der dritten Dimension, auf der z-Ebene, unscharf sind. Frühere Versuche, dieses Problem zu lösen, waren schwierig zu implementieren.
Ein Projekt unter der Leitung von Xuesong Li, einem Postdoc im Shroff Lab, entwickelte zwei Möglichkeiten, mit dem Problem praktisch umzugehen. Bei einem Verfahren wird dem Mikroskop ein Spiegel hinzugefügt, um einen zusätzlichen Lichtstrahl zu erzeugen, wodurch das Interferenzmuster verändert wird und eine feinere, schärfere Auflösung entlang der z-Achse ermöglicht wird.
Die zweite Methode, die Deep Learning verwendet, verwischt die scharfen x- und y-Achsen so, dass sie wie die verschwommene z-Achse aussehen, und trainiert dann ein neuronales Netzwerk, um diese verschwommene Bilder umzukehren. Das Netzwerk verwendet dann diese Informationen, um die Z-Achse unscharf zu machen.
Ein neues Papier in Nature Biotechnology vom Shroff Lab beschreibt zwei praktische Möglichkeiten zur Verbesserung der axialen oder z-Auflösung der 3D-strukturierten Beleuchtungsmikroskopie, einer Technik, um in lebende Zellen zu sehen. Bei einem Verfahren wird dem Mikroskop ein Spiegel hinzugefügt, um einen zusätzlichen Lichtstrahl zu erzeugen, wodurch das Interferenzmuster verändert wird und eine feinere, schärfere Auflösung entlang der z-Achse ermöglicht wird. (Video 1). Die zweite Methode, die Deep Learning verwendet, verwischt die scharfen x- und y-Achsen so, dass sie wie die verschwommene z-Achse aussehen, und trainiert dann ein neuronales Netzwerk, um diese verschwommene Bilder umzukehren. Das Netzwerk verwendet dann diese Informationen, um die Z-Achse unscharf zu machen. (Video 2). Bildnachweis: Li et al.
Beide Methoden bieten eine praktische und effektive Möglichkeit, die axiale Auflösung in 3D-SIM zu verbessern. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, die Organellen im Inneren der Zellen scharf in alle Richtungen zu betrachten und möglicherweise neue Erkenntnisse über die Komponenten im Inneren der Zellen zu gewinnen.
Die neuen Methoden können verwendet werden, um andere Mikroskope zu verbessern, und das Team arbeitet daran, die Methoden auf dickere Proben anzuwenden. Einige der gleichen Konzepte könnten auch in bildgebenden Verfahren nützlich sein, die sie für die Verwendung durch Biologen entwickeln, die in Janelias neuem Forschungsgebiet, der 4D-Zellphysiologie, arbeiten.
Mehr Informationen:
Xuesong Li et al, Dreidimensionale strukturierte Beleuchtungsmikroskopie mit verbesserter axialer Auflösung, Naturbiotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41587-022-01651-1