Microscopio 3D Gigapixel-Immagine Credit Nature-
Un nuovo tipo di microscopio che unisce i video di dozzine di fotocamere più piccole può fornire ai ricercatori viste 3D dei loro esperimenti. Che si tratti di registrare filmati 3D del comportamento di dozzine di pesci zebra che nuotano liberamente o dell’attività di toelettatura dei moscerini della frutta con dettagli quasi a livello cellulare in un campo visivo molto ampio, il dispositivo sta aprendo nuove possibilità ai ricercatori di tutto il mondo. Credito: Roarke Horstmeyer, Duke University
L’unione di video da dozzine di telecamere fornisce una vista 3D unica di esperimenti macroscopici con dettagli microscopici.
Quando una coppia di coraggiosi laureati ha scattato la prima foto con il loro microscopio assemblato, è andata meglio di quanto sperassero. Certo, c’era un buco in una sezione e un’altra era capovolta, ma potevano ancora trovare “Waldo”
Il giorno seguente, i due ricercatori hanno risolto i loro problemi con il software e hanno dimostrato un dispositivo di prova di principio di successo sul classico libro di puzzle per bambini. Combinando 24 fotocamere per smartphone in un’unica piattaforma e unendo le loro immagini, hanno creato un’unica fotocamera in grado di acquisire immagini gigapixel su un’area delle dimensioni di un pezzo di carta.
Sei anni, diverse iterazioni progettuali e una startup dopo, i ricercatori hanno fatto una scoperta inaspettata. Il perfezionamento del processo di unione simultanea di dozzine di singole telecamere con risoluzione subpixel ha permesso loro di vedere anche l’altezza degli oggetti.
“È come la visione umana“, ha detto Roarke Horstmeyer, assistente Professore di ingegneria biomedica alla Duke University. “Se unisci più punti di vista insieme (come fanno i tuoi due occhi), vedi gli oggetti da diverse angolazioni, il che ti dà l’altezza. Quando i nostri colleghi che studiano il pesce zebra lo hanno usato per la prima volta, sono rimasti sbalorditi. Ha immediatamente rivelato nuovi comportamenti che coinvolgono tono e profondità che non avevano mai visto prima.
Il nuovo tipo di microscopio che unisce i video di dozzine di fotocamere più piccole può fornire ai ricercatori viste 3D dei loro esperimenti. Che si tratti di registrare filmati 3D del comportamento di dozzine di pesci zebra che nuotano liberamente o dell’attività di toelettatura dei moscerini della frutta con dettagli quasi a livello cellulare in un campo visivo molto ampio, il dispositivo sta aprendo nuove possibilità ai ricercatori di tutto il mondo. Credito: Roarke Horstmeyer, Duke University
In un articolo pubblicato online il 20 marzo sulla rivista Nature Photonics, Horstmeyer e i suoi colleghi mostrano le capacità del loro nuovo microscopio ad alta velocità, 3D, gigapixel chiamato Multi Camera Array Microscope (MCAM). Che si tratti di registrare filmati 3D del comportamento di dozzine di pesci zebra che nuotano liberamente o dell’attività di toelettatura dei moscerini della frutta con dettagli quasi a livello cellulare in un campo visivo molto ampio, il dispositivo sta aprendo nuove possibilità ai ricercatori di tutto il mondo. L’ultima versione di MCAM si basa su 54 obiettivi con velocità e risoluzione superiori rispetto al prototipo che ha trovato Waldo. Basandosi su un recente lavoro completato in stretta collaborazione con il laboratorio della dottoressa Eva Naumann alla Duke, un software innovativo offre al microscopio la capacità di effettuare misurazioni 3D, fornire maggiori dettagli su scale più piccole e realizzare filmati più fluidi.
Il design altamente parallelizzato dell’MCAM, tuttavia, crea le proprie sfide di elaborazione dei dati, poiché pochi minuti di registrazione possono produrre oltre un terabyte di dati. “Abbiamo sviluppato nuovi algoritmi in grado di gestire in modo efficiente questi set di dati video estremamente grandi”, ha affermato Kevin C. Zhou, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Horstmeyer e autore principale dell’articolo. “I nostri algoritmi sposano la fisica con l’apprendimento automatico per fondere i flussi video di tutte le telecamere e recuperare le informazioni comportamentali 3D nello spazio e nel tempo. Abbiamo reso noto il nostro codice open source su Github affinché tutti possano provarlo.”
All’Università della California – San Francisco, Matthew McCarroll osserva il comportamento del pesce zebra esposto a farmaci neuroattivi. Cercando i cambiamenti nel comportamento dovuti a diverse classi di farmaci, i ricercatori possono scoprire nuovi potenziali trattamenti o comprendere meglio quelli esistenti.
Nel documento, McCarroll e il suo gruppo descrivono movimenti interessanti che non avevano mai visto prima grazie all’utilizzo di questa fotocamera. Le capacità 3D dell’MCAM, insieme alla sua visione onnicomprensiva, hanno permesso loro di registrare le differenze nel beccheggio dei pesci, se tendevano verso l’alto o verso il basso delle loro vasche e come seguivano le prede.
“Costruiamo da tempo i nostri rig con obiettivi singoli e fotocamere, che hanno funzionato bene per i nostri scopi, ma questo è su un altro livello”, ha affermato McCarroll, uno scienziato indipendente che studia chimica farmaceutica nella serie di ricercatori professionisti del sistema UC . “Siamo solo biologi che armeggiano con l’ottica. È incredibile vedere cosa può escogitare un fisico per migliorare i nostri esperimenti”.
Alla Duke, il laboratorio di Michel Bagnat, Professore di biologia cellulare, lavora anche con il pesce zebra. Ma piuttosto che osservare i cambiamenti comportamentali indotti dai farmaci, i ricercatori studiano come gli animali si sviluppano da un uovo in un adulto completamente formato a livello cellulare.
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“Il laboratorio moderno sta diventando sempre più automatizzato”, ha affermato Horstmeyer. “L’enorme volume di dati sta creando richieste per nuove tecnologie che possono aiutare ad automatizzare il monitoraggio e l’acquisizione dei risultati”.
Insieme al coautore Mark Harfouche, che è stato il cervello dietro a catturare la loro prima immagine di Waldo, Horstmeyer ha lanciato una startup chiamata Ramona Optics per commercializzare la tecnologia. Uno dei suoi primi licenziatari, MIRA Imaging, sta utilizzando la tecnologia per “impronte digitali” di opere d’arte, oggetti da collezione e beni di lusso, contro contraffazione e frode.
Fonte:Nature Photonics
