Un nuevo tipo de microscopio que recopila videos de docenas de cámaras más pequeñas podría proporcionar a los investigadores vistas en 3D de sus experimentos. Ya sea que grabe películas en 3D del comportamiento de docenas de peces cebra que nadan libremente o la actividad de limpieza de las moscas de la fruta con detalles casi celulares en un campo de visión muy amplio, el dispositivo está abriendo nuevas posibilidades para investigadores de todo el mundo. . Crédito: Roarke Horstmeyer, Universidad de Duke
La combinación de videos de docenas de cámaras proporciona una vista 3D única de experimentos macroscópicos en detalle microscópico.
Cuando dos valientes estudiantes de posgrado tomaron la primera fotografía con su microscopio instalado, el resultado fue mejor de lo que esperaban. Por supuesto, había un agujero en una sección y otra estaba al revés, pero aún podían encontrar a Waldo.
“Cuando nuestros colegas que estudiaban el pez cebra lo usaron por primera vez, quedaron impresionados. Inmediatamente reveló nuevos comportamientos relacionados con el tono y la profundidad que nunca antes habían visto”. —Roarke Horstmeyer
Al día siguiente, el dúo resolvió sus problemas de software y demostró un dispositivo de prueba de principio exitoso en el clásico libro de rompecabezas para niños. Combinando 24 cámaras de teléfonos inteligentes en una sola plataforma y uniendo sus imágenes, crearon una sola cámara capaz de capturar imágenes de gigapíxeles en un área del tamaño de una hoja de papel.
Seis años, varias iteraciones de diseño y una nueva empresa más tarde, los investigadores hicieron un descubrimiento inesperado. Perfeccionar el proceso de unir docenas de cámaras individuales a una resolución de subpíxeles simultáneamente les permitió ver la altura de los objetos también.
«Es como la visión humana», dijo Roarke Horstmeyer, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke. “Si combinas varios puntos de vista (como lo hacen tus dos ojos), ves objetos desde diferentes ángulos, lo que te da altura. Cuando nuestros colegas que estudian el pez cebra lo usaron por primera vez, quedaron impresionados. Inmediatamente reveló nuevos comportamientos relacionados con el tono y la profundidad que nunca antes habían visto”.
Un nuevo tipo de microscopio que recopila videos de docenas de cámaras más pequeñas podría proporcionar a los investigadores vistas en 3D de sus experimentos. Ya sea que grabe películas en 3D del comportamiento de docenas de peces cebra que nadan libremente o la actividad de limpieza de las moscas de la fruta con detalles casi celulares en un campo de visión muy amplio, el dispositivo está abriendo nuevas posibilidades para investigadores de todo el mundo. . Crédito: Roarke Horstmeyer, Universidad de Duke
En un artículo publicado en línea hoy (20 de marzo) en la revista Nature Photonics, Horstmeyer y sus colegas muestran las capacidades de su nuevo microscopio 3D de gigapíxeles de alta velocidad llamado Multi Camera Array Microscope (MCAM). Ya sea que grabe películas en 3D del comportamiento de docenas de peces cebra que nadan libremente o la actividad de limpieza de las moscas de la fruta con detalles casi celulares en un campo de visión muy amplio, el dispositivo está abriendo nuevas posibilidades para investigadores de todo el mundo. . La última versión de MCAM cuenta con 54 lentes con mayor velocidad y resolución que el prototipo que encontró Waldo. Basado en un trabajo reciente realizado en estrecha colaboración con el Dr. Eva Naumann de Duke, el software innovador le da al microscopio la capacidad de tomar medidas en 3D, proporcionar más detalles a escalas más pequeñas y hacer películas más fluidas.
“Construimos nuestros propios equipos hace mucho tiempo con lentes y cámaras individuales, que funcionaron bien para nuestros propósitos, pero esto está en un nivel completamente diferente. Solo somos biólogos jugando con la óptica. Es asombroso ver lo que un físico legítimo puede proponer para mejorar nuestros experimentos”. —Matthew McCarroll
Sin embargo, el diseño altamente paralelizado de MCAM crea sus propios desafíos de procesamiento de datos, ya que unos pocos minutos de grabación pueden producir más de un terabyte de datos. «Hemos desarrollado nuevos algoritmos que pueden manejar de manera eficiente estos conjuntos de datos de video extremadamente grandes», dijo Kevin C. Zhou, investigador postdoctoral en el laboratorio de Horstmeyer y autor principal del artículo. “Nuestros algoritmos combinan la física con el aprendizaje automático para fusionar las secuencias de video de todas las cámaras y recuperar información de comportamiento en 3D en el espacio y el tiempo. Hemos hecho que nuestro código sea de código abierto en Github para que todos lo prueben”.
En la Universidad de California – San Francisco, Matthew McCarroll observa el comportamiento del pez cebra expuesto a fármacos neuroactivos. Al buscar cambios en el comportamiento debido a diferentes clases de medicamentos, los investigadores pueden descubrir nuevos tratamientos potenciales o comprender mejor los existentes.
En el artículo, McCarroll y su grupo describen movimientos interesantes que nunca antes habían visto gracias al uso de esta cámara. Las capacidades 3D del MCAM, junto con su vista integral, les permitieron registrar diferencias en el tono de los peces, si tendían hacia la parte superior o inferior de sus tanques y cómo rastreaban a sus presas.
“Construimos nuestro propio equipo hace mucho tiempo con lentes y cámaras individuales, que funcionaron bien para nuestros propósitos, pero esto está en un nivel completamente diferente”, dijo McCarroll, un científico independiente que estudia química farmacéutica en la Serie de Investigadores Profesionales del Sistema UC. . . “Solo somos biólogos jugando con la óptica. Es asombroso ver lo que un físico legítimo puede proponer para mejorar nuestros experimentos”.
En Duke, el laboratorio de Michel Bagnat, profesor de biología celular, también trabaja con pez cebra. Pero en lugar de observar los cambios de comportamiento inducidos por las drogas, los investigadores están estudiando cómo los animales se desarrollan desde un huevo hasta un adulto completamente formado a nivel celular.
«Con las capacidades de imágenes fluorescentes y 3D de este microscopio, podría cambiar el curso de la cantidad de biólogos del desarrollo que realizan sus experimentos». —Jennifer Bagwell
En estudios anteriores, los investigadores necesitaban anestesiar y montar peces en desarrollo para mantenerlos estables mientras se tomaban medidas con láser. Pero dejarlos caer por períodos prolongados también puede causar cambios en su desarrollo que pueden sesgar los resultados del experimento. Con la ayuda del nuevo MCAM, los investigadores han demostrado que pueden obtener todas estas medidas mientras los peces viven sus vidas libres, sin necesidad de perforaciones ni abrazaderas.
«Con las capacidades de imágenes fluorescentes y 3D de este microscopio, podría cambiar el curso de la cantidad de biólogos del desarrollo que realizan sus experimentos», dijo Jennifer Bagwell, científica investigadora y directora de laboratorio en el laboratorio de Bagnat. “Sobre todo si la anestesia del pez afecta su desarrollo, algo que estamos estudiando ahora”.
Además de rastrear comunidades enteras de pequeños animales, como el pez cebra, en experimentos, Horstmeyer espera que este trabajo también permita estudios paralelos automatizados más grandes. Por ejemplo, el microscopio puede mirar una placa de 384 pocillos cargada con una variedad de organoides para probar posibles reacciones farmacéuticas, registrar las respuestas celulares de cada pequeño experimento y marcar de forma autónoma cualquier resultado de interés.
“El laboratorio moderno se automatiza cada día más, con grandes placas de pocillos que se llenan y mantienen sin siquiera tocar una mano humana”, dijo Horstmeyer. “Big data está creando demandas de nuevas tecnologías que pueden ayudar a automatizar el seguimiento y la captura de resultados”.
Junto con el coautor Mark Harfouche, quien fue el cerebro detrás de la captura de su primera imagen de Waldo, Horstmeyer lanzó una nueva empresa llamada Ramona Optics para comercializar la tecnología. Uno de sus primeros licenciatarios, MIRA Imaging, está utilizando la tecnología para «imprimir digitalmente» obras de arte, coleccionables y artículos de lujo para vacunar contra la falsificación y el fraude.
Otros ejemplos del microscopio en acción se pueden encontrar en:
Referencia: «Microscopía de video por computadora en 3D paralelo de organismos en movimiento libre a varios gigapíxeles por segundo» por Kevin C. Zhou, Mark Harfouche, Colin L. Cooke, Jaehee Park, Pavan C. Konda, Lucas Kreiss, Kanghyun Kim, Joakim Jönsson, Thomas Doman, Paul Reamey, Veton Saliu, Clare B. Cook, Maxwell Zheng, John P. Bechtel, Aurélien Bègue, Matthew McCarroll, Jennifer Bagwell, Gregor Horstmeyer, Michel Bagnat y Roarke Horstmeyer, 20 de marzo de 2023, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-023-01171-7
Esta investigación cuenta con el apoyo de la Oficina de Programas de Infraestructura de Investigación (ORIP), la Oficina del Director, los Institutos Nacionales de Salud de los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (NIEHS) de los Institutos Nacionales de Salud (R44OD024879), el Instituto Nacional del Cáncer (NCI) de los Institutos Nacionales de Salud (R44CA250877), el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB) de los Institutos Nacionales de Salud (R43EB030979), la Fundación Nacional de Ciencias (2036439) y Duke Coulter Premio a la Asociación Traslacional.
