Инновационный микроскоп, созданный в Израильском технологическом институте Технион, обещает сделать настоящий прорыв в области биологии, давая возможность ученым взглянуть на действующие клетки в трехмерном пространстве и с суперразрешением.
Обычные микроскопы создают двухмерные изображения, что дает возможность биологам заглянуть внутрь клетки. Но такие изображения упускают часть информации, так как мы живем в трехмерном мире. До настоящего времени ученые пытались решить эту проблему, послойно сканируя образцы тканей, чтобы в последствии создать на компьютере трехмерный объект.
Но эта методика несовершенна, так как образец должен оставаться неподвижным в течение длительного периода времени. Это значит, что его нельзя использовать для наблюдения за живой клеткой в 3D.Кроме этого, стандартная микроскопия, при которой свет проходит через образец и линзу для увеличения изображения, ограничена дифракционным пределом линзы.
DeepSTORM3D – это разработанная израильскими учеными система 3D отображения с суперразрешением. Она не только способна отображать изображения с разрешением в 10 раз превосходящим стандартную оптическую микроскопию, но и позволяет получать трехмерные изображения движущихся объектов.
«Чтобы получить информацию о глубине из 2D-изображения мы используем формирование волнового фронта – оптический метод, который кодирует глубину каждой молекулы в полученном на камеру изображении», - пояснил профессор Йоав Шехтман, руководивший разработкой DeepSTORM3D. Проблема этого метода заключается в том, что если несколько молекул находятся рядом, их изображения перекрываются, и это резко ухудшает пространственное и временное разрешение. Иногда до такой степени, что получить полезные изображения некоторых образцов просто невозможно».
Для решения этой проблемы ученые разработали искусственную нейронную сеть, способную создать собственный алгоритм. Они обучили систему с помощью большого количества виртуальных образцов. В результате нейронная сеть самостоятельно нашла алгоритм создания 3D-изображений с высоким разрешением из реальных данных микроскопии.
«Новая технология подтолкнула нас к реализации одного из святых Граалей биоисследований – картирования биологических процессов в живых клетках в сверхразрешении», - сказал Штехман. – «Важно, чтобы науки о жизни извлекли выгоду из разработанного нами инструментария, поэтому мы тесно сотрудничаем с биологами, которые рассказывают нам о своих потребностях».
Используя новую систему, исследователи смогли продемонстрировать способность системы трехмерно отображать митохондрии, вырабатывающие энергию в клетке, и получить объемную визуализацию флуоресцентно меченых теломер в живых клетках, которые, помимо прочего, ответственны за процесс клеточного деления.
Исследователи также обнаружили, что нейронная сеть способна не только отображать данные, но и улучшать используемые для этого инструменты. «Это, пожалуй, самое захватывающее из происходящего, - сказал Шехтман. – Нейронная сеть разработала для нас оптимальный физический дизайн оптической системы. Другими словами, компьютер не только проанализировал данные, но и показал нам, как построить микроскоп. Мы думаем, что эту концепцию можно будет применить и в других, не связанных с микроскопией областях».
