Новости

May 26, 2023

Слабый

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 12275 (2023) Цитировать эту статью 2674 Доступов 11 Подробности об альтметрических метриках Трехмерная информация имеет решающее значение для нашего понимания биологических процессов.

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12275 (2023) Цитировать эту статью

2674 Доступа

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Трехмерная информация имеет решающее значение для нашего понимания биологических явлений. Подавляющее большинство образцов биологической микроскопии по своей сути являются трехмерными. Однако традиционная световая микроскопия в основном ориентирована на получение 2D-изображений, в то время как 3D-микроскопия и реконструкция изображений возможны только при наличии специального оборудования и методов. Вдохновленные принципами работы одного из таких методов — конфокальной микроскопии, мы предлагаем новый подход к реконструкции 3D широкопольной микроскопии посредством семантической сегментации пикселей в фокусе и вне фокуса. Для этого мы исследуем ряд алгоритмов на основе правил, обычно используемых для программной автофокусировки, и применим их к набору данных широкоугольных фокусных стеков. Мы предлагаем схему вычислений, позволяющую рассчитывать карты показателей латерального фокуса срезов каждого стека с использованием этих алгоритмов. Кроме того, мы идентифицируем предпочтительные алгоритмы получения таких карт. Наконец, чтобы обеспечить практичность нашего подхода, мы предлагаем суррогатную модель, основанную на глубокой нейронной сети, способную быстро и надежно сегментировать пиксели в фокусе от фона вне фокуса. Подход на основе глубоких нейронных сетей позволяет значительно ускорить обработку данных, что делает его пригодным для онлайн-обработки данных.

Получение понимания биологических процессов в трех измерениях (3D) жизненно важно для понимания биологических механизмов, а также улучшения трансляции между in vitro и in vivo1. Однако, следуя исторической концепции микроскопии, подавляющее большинство распространенных методов, используемых в лабораториях, по-прежнему ориентированы на получение 2D-изображений. Среди других существующих методов конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM)2 остается наиболее широко используемой для получения трехмерной информации о биологических объектах. Во время визуализации CLSM точечное отверстие, присутствующее на оптическом пути, отфильтровывает рассеянный свет, гарантируя, что все захваченные интенсивности будут в фокусе. Этот процесс повторяется для каждой фокальной плоскости по мере перемещения изображения вдоль осевой оси3. Таким образом, CLSM реконструирует четкие трехмерные модели биологических объектов шаг за шагом. Другие известные методы 3D-визуализации включают оптический срез образца в микроскопии с селективным плоским освещением (SPIM)1,4 и голотомографическую микроскопию5,6,7. SPIM или световая микроскопия обычно выполняют оптическое сечение путем освещения образца световым лучом, расположенным перпендикулярно пути изображения. В флуоресцентной микроскопии это позволяет возбуждать флуорофоры только в фокальной плоскости, минимизируя разброс. Голотомографическая микроскопия, в свою очередь, использует принцип голографии для получения трехмерного изображения образца8. Однако более длительное время визуализации, высокие требования к обученному персоналу или оборудованию, а также высокая сложность и стоимость оборудования часто делают эти методы менее доступными, чем традиционная широкопольная микроскопия. В то же время широкопольные микроскопы и бинокли, использующие пропускающий свет, недороги, широко распространены в лабораториях по всему миру и требуют минимального обучения или маркировки образцов.

Поэтапное получение более крупного полупрозрачного образца в 3D также можно выполнить с помощью широкопольной микроскопии путем последовательного изменения фокальной плоскости. В отличие от оптических срезов3, когда широкопольная микроскопия применяется непосредственно к трехмерным образцам, весь свет – как сфокусированный, так и рассеянный – способствует формированию изображения9. Это вносит в записанные изображения шум из других фокальных плоскостей, снижает контрастность и снижает качество 3D-реконструкции. Возможность разделения частей в фокусе и вне фокуса каждого фокального среза не только позволит провести точную трехмерную реконструкцию образца, но и сделает такую ​​модальность визуализации количественной. Это стало бы возможным благодаря четкому разделению пикселей фона и переднего плана.