Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ ανέπτυξαν ένα νέο υπολογιστικό μικροσκόπιο που ξεπερνά έναν από τους μεγαλύτερους περιορισμούς της σύγχρονης μικροσκοπίας: την αδυναμία συνδυασμού υψηλής ανάλυσης, μεγάλης περιοχής παρατήρησης και εξαιρετικά γρήγορης καταγραφής.
Η νέα συσκευή μπορεί να καταγράφει εικόνες με ανάλυση μικρομέτρων σε επιφάνεια πολλών τετραγωνικών εκατοστών, φτάνοντας τα 25,2 δισεκατομμύρια pixels ανά δευτερόλεπτο. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Photonics.
Συνδυάζοντας ταχύτητα, ανάλυση και μεγάλο πεδίο
Οι παραδοσιακοί σχεδιασμοί μικροσκοπίων απαιτούν συμβιβασμούς. Όταν αυξάνεται η ανάλυση, συνήθως μειώνεται το οπτικό πεδίο ή η ταχύτητα καταγραφής. Αυτό δυσκολεύει την παρατήρηση ζωντανών οργανισμών ή δυναμικών βιολογικών διεργασιών.
Το νέο μικροσκόπιο χρησιμοποιεί μια συστοιχία 48 αισθητήρων κάμερας, ένα ειδικά σχεδιασμένο οπτικό στοιχείο περίθλασης και αλγορίθμους υπολογιστικής ανακατασκευής εικόνας. Ο συνδυασμός υλικού και λογισμικού επιτρέπει τη δημιουργία λεπτομερών εικόνων που μέχρι σήμερα δεν ήταν εφικτές.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το σύστημα πέτυχε ανάλυση 3 μικρομέτρων σε περιοχή μεγαλύτερη από 5 τετραγωνικά εκατοστά, με ρυθμό 120 καρέ ανά δευτερόλεπτο.
Λύνοντας το πρόβλημα των κενών στους αισθητήρες
Η χρήση πολλαπλών αισθητήρων αυξάνει σημαντικά τον αριθμό των pixels, αλλά δημιουργεί κενά ανάμεσα στις επιμέρους μονάδες όπου δεν καταγράφεται φως. Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές δημιούργησαν μια ειδική γυάλινη μάσκα φάσης που ανακατευθύνει το φως προς τους αισθητήρες.
Στη συνέχεια, ένας υπολογιστικός αλγόριθμος ανακτά τις πληροφορίες που λείπουν και δημιουργεί μια πλήρη εικόνα υψηλής ανάλυσης.
Παρακολούθηση ζωντανών οργανισμών σε πραγματικό χρόνο
Η ομάδα δοκίμασε το μικροσκόπιο σε στατικά δείγματα αλλά και σε ζωντανούς οργανισμούς. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, κατάφερε να καταγράψει δεκάδες ελεύθερα κινούμενους νηματώδεις C. elegans με ταχύτητα 120 καρέ το δευτερόλεπτο για 15 δευτερόλεπτα.
Οι ερευνητές μπόρεσαν να παρακολουθήσουν την κίνηση των οργανισμών αλλά και μικρότερες βιολογικές λειτουργίες, όπως τις γρήγορες κινήσεις του φάρυγγα κατά τη διατροφή τους.
Η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για μεγάλης κλίμακας βιντεομικροσκοπία, επιτρέποντας την ταυτόχρονη παρατήρηση πολλών ζωντανών οργανισμών και τη μελέτη πολύπλοκων βιολογικών διεργασιών με πρωτοφανή λεπτομέρεια.
