Таяние снежинки впервые сняли на видео с гигапиксельным разрешением
В Коннектикутском университете разработали метод микроскопии, который позволяет снимать видео с гигапиксельным разрешением и частотой 30 кадров в секунду с детализацией до 308 нм на сантиметровом поле зрения. Методику проверили, запечатлев в реальном времени таяние снежинок. Результаты первых экспериментов приведены на страницах Nature Communications.
Обычные микроскопы не могут давать высокое разрешение и широкое поле зрения одновременно. Для получения гигапиксельного изображения приходится либо сканировать образец по частям, либо использовать сложные многокамерные системы. То есть видеосъемка мелких движущихся объектов, например живых клеток, практически невозможна.
Чтобы обойти ограничения, исследователи применили безлинзовую камеру — взяли готовую ПЗС-матрицу и нанесли на нее особую кодирующую сетку. Полученные данные пропускали через пространственно-временные нейронные поля (гибрид нейросетей и физической модели), которые восстанавливали видеопоследовательность по избыточной информации — по сути, разнице между соседними кадрами.
В итоге получилось 50-секундное видео из примерно 1500 кадров разрешением 695 мегапикселей, которое фиксирует не только плоскую картинку, но и фазу света — а она напрямую переводится в высоту. Система различает детали тоньше тысячной доли миллиметра — и все это на сантиметровой площади.
Не только снежинки
Проверив разработку на снежинках, камеру поместили в инкубатор. Там она сняла, как живые стволовые клетки заполняют повреждения в монослое. Полученная 3D-карта высот запечатлела не только изменение формы клеток, но и тончайшие туннельные нанотрубки, которые соединяют их между собой, — то, что без флуоресцентных красителей обычно не видно.
«Система может отслеживать полный жизненный цикл клеток, записывая непрерывное видео без использования красителей и вредного светового облучения. Эта технология способна ускорить исследования в области клеточной биологии, онкологии, регенерации тканей, инфекционных заболеваний и разработки лекарств, поскольку позволяет увидеть динамические процессы, которые раньше было трудно изучать с помощью обычных микроскопов», — говорит инженер-биомедик Руихай Ван, один из ведущих авторов исследования.
В другом эксперименте отслеживали размножение колоний E. coli, измеряли биомассу отдельных клеток и наблюдали, как под действием антибиотика они вытягиваются в длинные нити. Такая реакция бактерий имеет прямое отношение к тестированию устойчивости к противомикробным препаратам. Еще в одном опыте восстановили 3D-форму трансдермальных микроигольчатых пластырей для безболезненной доставки лекарств и проследили, как иглы растворяются со временем.
Ввиду отсутствия традиционной оптики технология не ограничена по диапазону, что также подтверждено на практике — съемкой при освещении экстремальным ультрафиолетом 13,5 нм. Свет такой длины волны постоянно мерцает и дрейфует, тем не менее метод позволил восстановить и структуру образца, и изменяющуюся форму самого пучка, причем с гораздо меньшим числом измерений, чем требуют традиционные подходы. Это дает более быструю визуализацию при меньшей дозе облучения.
Что дальше
В перспективе технология будет воплощена в виде полноценного биологического микроскопа для клинических и научных применений.
«Мы хотим продолжать развивать технологию, чтобы ученые могли наблюдать живые системы и динамические процессы с таким уровнем детализации и масштаба, который раньше был недоступен. В конечном счете мы надеемся, что она станет инструментом, который ускорит открытия в биологии, медицине и материаловедении», — заключил профессор Гоань Чжэн, руководивший исследованием.
