Wissenschaftler passen astronomische Methode an, um verwackelte Mikroskopbilder zu entschärfen

Ein Team unter der Leitung von Forschern am Janelia Research Campus des HHMI hat eine Klasse von Techniken aus der Astronomie angepasst, um Bilder weit entfernter Galaxien für die Verwendung in den Biowissenschaften zu entschärfen. Damit haben Biologen eine schnellere und kostengünstigere Möglichkeit, klarere und schärfere Mikroskopiebilder zu erhalten. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Optik.

Astronomen haben schon vor langer Zeit herausgefunden, wie sie die Bilder, die ihre Teleskope von weit entfernten Galaxien aufnehmen, klarer und schärfer machen können. Mithilfe von Techniken, die messen, wie das Licht durch die Atmosphäre verzerrt wird, können sie Korrekturen vornehmen, um Aberrationen auszugleichen.

Mikroskopiker haben diese Methoden angepasst, um klarere Bilder von dicken biologischen Proben zu erzeugen, die ebenfalls Licht brechen und Verzerrungen erzeugen. Diese Techniken – eine Klasse von Methoden, die als adaptive Optik bezeichnet wird – sind jedoch komplex, teuer und langsam, was sie für viele Labore unerschwinglich macht.

In der Hoffnung, die adaptive Optik Biologen breiter zugänglich zu machen, hat ein Team unter der Leitung von Forschern am Janelia Research Campus des HHMI seine Aufmerksamkeit nun einer Klasse von Techniken namens Phasendiversität zugewandt, die in der Astronomie weit verbreitet ist, in den Biowissenschaften jedoch neu ist.

Diese Phasendiversitätsmethoden fügen einem verschwommenen Bild mit einer unbekannten Aberration zusätzliche Bilder mit bekannten Aberrationen hinzu und liefern so genügend Zusatzinformationen, um das Originalbild zu entschärfen. Im Gegensatz zu vielen anderen adaptiven Optiktechniken erfordert die Phasendiversität keine größeren Änderungen am Bildgebungssystem, was sie zu einem potenziell attraktiven Ansatz für die Mikroskopie macht.

Um die neue Methode umzusetzen, passte das Team zunächst den Astronomiealgorithmus für den Einsatz in der Mikroskopie an und validierte ihn mit Simulationen. Als nächstes bauten sie ein Mikroskop mit einem verformbaren Spiegel, dessen reflektierende Oberfläche verändert werden kann, und zwei zusätzlichen Linsen – geringfügige Modifikationen an einem vorhandenen Mikroskop, die die bekannte Aberration erzeugen. Sie verbesserten auch die Software zur Durchführung der Phasendiversitätskorrektur.

Als Test ihrer neuen Methode demonstrierte das Team, dass sie den verformbaren Spiegel des Mikroskops 100-mal schneller kalibrieren konnten als mit konkurrierenden Methoden. Als nächstes zeigten sie, dass die neue Methode zufällig erzeugte Aberrationen erkennen und korrigieren konnte, wodurch klarere Bilder von fluoreszierenden Perlen und fixierten Zellen entstanden.

Der nächste Schritt besteht darin, die Methode an realen Proben, darunter lebenden Zellen und Geweben, zu testen und ihre Anwendung auf komplexere Mikroskope auszuweiten. Das Team hofft außerdem, die Methode stärker automatisieren und benutzerfreundlicher zu gestalten. Sie hoffen, dass die neue Methode, die schneller und kostengünstiger umzusetzen ist als aktuelle Techniken, eines Tages die adaptive Optik für mehr Labore zugänglich machen könnte, sodass Biologen beim Blick in die Tiefe von Geweben klarer sehen können.