Durch die Kombination von Videos von Dutzenden von Kameras wurde eine einzigartige 3D-Ansicht makroskopischer Experimente mit mikroskopischen Details erhalten. Das erste Foto, das zwei mutige Doktoranden mit ihrem improvisierten Mikroskop machten, geriet besser als erwartet. Es gelang ihnen, Waldo ausfindig zu machen, obwohl ein Teil ein Loch hatte und ein Teil auf die Seite gedreht war.
Am nächsten Tag löste das Team die Softwareprobleme und setzte das berühmte Kinderpuzzlebuch erfolgreich als Proof-of-Concept-Gerät ein. Durch die Integration von 24 Smartphone-Kameras in eine einzige Plattform und das Zusammenfügen ihrer Fotos entwickelte das Team eine einzige Kamera, die in der Lage ist, Gigapixel-Bilder in einem Bereich von etwa der Größe eines Papiers aufzunehmen.
Nach sechs Jahren, mehreren Designüberarbeitungen und einem Start-up-Unternehmen machten die Forscher eine unerwartete Entdeckung. Sie konnten die Höhe des Objekts sehen und perfektionierten die Methode, mehrere Kameras mit Subpixel-Auflösung gleichzeitig zu kombinieren.
Roarke Horstmeyer, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Duke University, vergleicht es mit dem menschlichen Sehen. „Wenn mehrere Perspektiven kombiniert werden, werden Objekte aus verschiedenen Winkeln gesehen, was Ihre beiden Augen tun. Dadurch entsteht ein Gefühl von Höhe. Es hat unsere Kollegen, die an Zebrafischen arbeiten, völlig erstaunt, als sie es zum ersten Mal benutzt haben. Sie bemerkten sofort neue Verhaltensweisen in Bezug auf Neigung und Tiefe, die ihnen noch nie zuvor aufgefallen waren.
In einem in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlichten Artikel demonstrieren Horstmeyer und Kollegen die Fähigkeiten eines neuen Hochgeschwindigkeits-3D-Gigapixel-Mikroskops, das sie Multi-Camera Array Microscopy (MCAM) (MCAM) nennen. Das Gerät bietet Forschern auf der ganzen Welt neue Möglichkeiten, indem es 3D-Filme über das Verhalten einer großen Anzahl frei schwimmender Zebrafische oder die Pflegeaktivitäten von Fruchtfliegen in nahezu zellulären Details über ein weites Sichtfeld aufnimmt. Die neueste Iteration des MCAM verwendet 54 Linsen, die schneller und präziser sind als der Prototyp, der Waldo entdeckte.
Innovative Software, Dr. Basierend auf jüngsten Arbeiten, die in enger Zusammenarbeit mit dem Team von Eva Naumann bei Duke durchgeführt wurden, ermöglicht es dem Mikroskop, 3D-Messungen durchzuführen, mehr Details in niedrigeren Maßstäben zu liefern und glattere Filme zu produzieren.
Das stark parallelisierte Design von MCAM stellt jedoch seine eigenen Herausforderungen bei der Datenverarbeitung dar, da nur wenige Minuten Aufzeichnung mehr als ein Terabyte an Daten generieren können. „Wir haben neue Algorithmen entwickelt, die diese außerordentlich großen Videodatensätze effizient verarbeiten können“, sagt Kevin C. Zhou, Postdoktorand in Horstmeyers Gruppe und Hauptautor der Studie. „Unsere Methoden integrieren Physik mit maschinellem Lernen, um Videostreams von allen Kameras zu kombinieren und 3D-Verhaltensinformationen über Ort und Zeit hinweg abzurufen.
Jeder kann unseren Code ausprobieren, da er Open Source auf Github ist.
Matthew McCarroll, ein Forscher an der University of California in San Francisco, untersucht, wie sich Zebrafische verhalten, wenn sie einem neuroaktiven Medikament ausgesetzt werden. Durch die Untersuchung der Verhaltensänderungen, die durch verschiedene Arten von Medikamenten verursacht werden, können Forscher neue Behandlungen für die Zukunft finden oder ein besseres Verständnis für bestehende Behandlungen gewinnen.
Mit dieser Kamera konnten McCarroll und sein Team interessante Bewegungen festhalten, die sie noch nie zuvor gesehen hatten. Dank der 3D-Fähigkeiten und der allumfassenden Sicht von MCAM waren sie in der Lage, Änderungen in der Neigung der Fische zu erfassen, ob sie sich über oder unter ihrem Tank bewegten und wie sie ihre Beute verfolgten.
„Wir haben lange Zeit unsere eigenen Rigs mit einzelnen Objektiven und Kameras hergestellt, und diese haben für unsere Zwecke gut funktioniert, aber das ist auf einer ganz anderen Ebene“, sagte McCarroll, ein freiberuflicher Forscher, der einen Abschluss als professioneller Forscher anstrebt in der pharmazeutischen Chemie. Wir sind nur Biologen, die mit Optik experimentieren. Es ist unglaublich, was ein legitimer Physiker vorschlagen kann, um unsere Experimente zu verbessern.
Zebrafische werden in der Forschung von Michel Bagnat, Professor für Zellbiologie an der Duke University, verwendet. Anstatt sich auf durch Medikamente verursachte Verhaltensänderungen zu konzentrieren, betrachten die Forscher die biologischen Prozesse, die Tiere durchlaufen, wenn sie von Eiern zu ausgewachsenen Erwachsenen heranwachsen.
In früheren Forschungen mussten sich entwickelnde Fische bestiegen und betäubt werden, um still zu bleiben, während Lasermessungen durchgeführt wurden. Eine längere Bewusstlosigkeit könnte jedoch möglicherweise den Entwicklungsverlauf verändern, was die Ergebnisse des Experiments verfälschen könnte. Dank des neuen MCAM haben die Forscher gezeigt, dass sie all diese Messungen durchführen können, ohne Fische zu klopfen oder zu klemmen.
Laut Jennifer Bagwell, einer Forschungswissenschaftlerin und Laborleiterin im Bagnat-Labor, könnten die 3D- und Fluoreszenzbildgebungsfähigkeiten dieses Mikroskops die Art und Weise verändern, wie viele Entwicklungsbiologen ihre Experimente durchführen. Vor allem, wenn sich herausstellt, dass die Betäubung von Fischen ihre Entwicklung verändert, ein Thema, das wir derzeit untersuchen.
Horstmeyer erhofft sich von diesem Ansatz umfangreichere automatisierte Parallelforschung sowie die Verfolgung ganzer Populationen von Kleintieren wie Zebrafischen in Versuchen. Beispielsweise kann das Mikroskop eine 384-Well-Platte beobachten, die mit verschiedenen Organoiden gefüllt ist, um potenzielle Arzneimittelwechselwirkungen zu beurteilen. Es kann die Zellreaktionen jedes Experiments aufzeichnen und interessante Ergebnisse automatisch kennzeichnen.
Laut Horstmeyer, der feststellt, dass das moderne Labor jeden Tag mehr automatisiert wird, werden große Well-Platten jetzt ohne menschliche Berührung gefüllt und konserviert. Der Bedarf an neuen Technologien, die dabei helfen können, die Nachverfolgung und Erfassung von Befunden zu automatisieren, ergibt sich aus der schieren Menge an Daten.
Horstmeyer und sein Kollege Mark Harfouche, der für die Beschaffung des ersten Fotos von Waldo verantwortlich war, gründeten ein Startup-Unternehmen namens Ramona Optics, um die Technologie zu vermarkten. Einer seiner ursprünglichen Lizenznehmer, MIRA Imaging, verwendet diese Technologie, um Kunstwerke, Sammlerstücke und Luxusgüter mit einem „Fingerabdruck“ zu versehen, um sie vor Fälschung und Betrug zu schützen.
Quelle: scitechdaily
📩 21/03/2023 10:04