Avancées dans l'imagerie de fluorescence volumétrique en un coup

L'imagerie par fluorescence est une technique clé en recherche biologique. Elle permet aux scientifiques de voir des organismes vivants en temps réel sans les endommager. Cette méthode est particulièrement utile pour étudier les processus biologiques parce qu'elle peut détecter des niveaux très bas de fluorescence.

#Avantages de l'imagerie volumétrique à tir unique par fluorescence

Les techniques d'imagerie traditionnelles nécessitent souvent de scanner différentes couches d'un échantillon, ce qui peut prendre beaucoup de temps et ne pas capturer les événements rapides. L'imagerie volumétrique à tir unique (SVF) résout ce problème en capturant une image 3D en une seule prise. Cette approche offre une haute résolution temporelle et un large champ de vision, ce qui la rend adaptée à l'observation de processus biologiques complexes.

#Limitations des méthodes SVF existantes

Beaucoup de méthodes SVF actuelles utilisent des fonctions d'étalement de point (PSF) compliquées, ce qui entraîne des problèmes comme un rapport signal sur bruit plus faible et une résolution réduite. Ces problèmes entravent la capacité à capturer des images de haute qualité sur une grande surface.

#Introduction de la PSF QuadraPol et des champs neuronaux

Dans ce travail, une nouvelle PSF appelée QuadraPol est combinée avec des champs neuronaux pour améliorer l'imagerie SVF. Cette technique implique un polarisateur sur mesure et une Caméra de polarisation. Ensemble, ils peuvent encoder des informations 3D dans une PSF compacte, réduisant ainsi la confusion de profondeur. De plus, un nouvel algorithme basé sur des champs neuronaux aide à corriger les erreurs pouvant survenir dans le système d'imagerie.

#Réalisations de la méthode

La PSF QuadraPol combinée avec des champs neuronaux peut recueillir des données 20 fois plus rapidement que les méthodes traditionnelles tout en capturant un grand volume en une seule prise. Cela a été confirmé par des expériences qui montrent une imagerie en tout point au foyer des colonies bactériennes et des visuels détaillés des structures racinaires des plantes.

#Importance de l'imagerie par fluorescence en recherche biologique

L'imagerie par fluorescence a gagné en popularité car elle est sensible, spécifique aux matériaux biologiques et non invasive. Ces caractéristiques la rendent idéale pour observer des organismes vivants en temps réel. Les méthodes traditionnelles comme la microscopie confocale et la microscopie à feuille de lumière offrent une imagerie 3D mais nécessitent de scanner plusieurs couches, ce qui prend du temps. Les techniques d'imagerie SVF, cependant, allègent ces défis en enregistrant des données volumétriques dans une seule image 2D.

#Défis des techniques d'imagerie 3D actuelles

Bien qu'efficaces, de nombreuses techniques d'imagerie 3D existantes ont des limitations, comme le besoin de plusieurs images ou d'être limitées à une zone pré-calibrée. Certaines méthodes nécessitent une calibration extensive, et leurs PSF ne sont pas invariantes aux déplacements, ce qui entraîne des erreurs dans l'analyse des images.

#Ingénierie des fonctions d'étalement de point pour une meilleure imagerie

Pour répondre aux limitations des techniques d'imagerie existantes, les chercheurs ont étudié des PSF qui peuvent encoder les informations de profondeur plus efficacement. Plusieurs conceptions de PSF ont été proposées, y compris la PSF astigmatique et la PSF à double hélice. Cependant, ces PSF conçues rencontrent encore des difficultés, notamment lors de la reconstruction de formes complexes à partir des données capturées.

#Conception et calibration de la PSF QuadraPol

La PSF QuadraPol offre une nouvelle façon d'atteindre une imagerie 3D efficace en utilisant un polarisateur unique qui module la transmission de lumière. Cela permet une imagerie haute résolution sans sacrifier d'autres caractéristiques importantes. La conception théorique de la PSF fournit un cadre sur le comportement du système d'imagerie, tandis que la calibration s'assure que la PSF correspond étroitement à la performance réelle lors des expériences.

#Algorithme de reconstruction utilisant des champs neuronaux

Un algorithme robuste est essentiel pour reconstruire avec précision des scènes 3D à partir de mesures 2D. L'algorithme traditionnel de Richardson-Lucy est couramment utilisé à cet effet, mais dépend fortement de l'exactitude de la PSF. En appliquant des champs neuronaux, ce travail présente une nouvelle façon de reconstruire des images qui améliore la qualité globale.

#Configuration expérimentale pour l'imagerie SVF

Le système d'imagerie utilise un laser spécifique et des composants optiques pour créer une lumière d'excitation polarisée circulairement. Cette lumière est ensuite filtrée et détectée par une caméra de polarisation. La conception compacte du système permet une configuration facile, la rendant accessible pour diverses applications en recherche biologique.

#Préparation des échantillons pour l'imagerie

Pour les expériences d'imagerie, des bactéries E. coli ont été cultivées et colorées. De même, des graines de blé ont été stérilisées et traitées avec des colorants fluorescents avant d'être imager. Cette préparation minutieuse garantit que les échantillons sont adaptés pour une imagerie de haute qualité.

#Validation des capacités d'imagerie

L'efficacité de la PSF QuadraPol a été validée par l'imagerie de billes fluorescentes placées sur une surface inclinée. Les résultats ont montré des reconstructions 3D claires sans inexactitudes notables. De plus, les dimensions des caractéristiques capturées ont été quantifiées, montrant la haute résolution obtenue grâce à cette méthode.

#Imagerie de colonies bactériennes sur des surfaces de sable

Étudier le comportement bactérien dans la rhizosphère est crucial pour comprendre la santé du sol. La PSF QuadraPol a permis une imagerie en tout point au foyer des colonies d'E. coli dans le sable, un matériau courant dans le sol. En assemblant plusieurs champs de vue, les chercheurs ont pu générer des images de haute qualité révélant des détails importants sur les interactions bactériennes.

#Visualisation des racines des plantes

Les racines des plantes jouent un rôle significatif dans l'écosystème, interagissant avec les microbes du sol. Imager les racines de blé présente des défis en raison des profondeurs variées. La méthode d'imagerie SVF a efficacement capturé les structures racinaires, révélant des informations de profondeur par la polarisation de la fluorescence détectée. Cette capacité est essentielle pour étudier les comportements des racines et leurs effets sur la santé du sol.

#Conclusion et orientations futures

La combinaison de la PSF QuadraPol et des champs neuronaux représente une avancée significative en imagerie SVF. Cette approche offre des capacités d'imagerie rapides et de haute résolution qui peuvent être appliquées à diverses études biologiques. Les recherches futures pourraient explorer des adaptations du système pour des applications spécifiques, comme l'amélioration de la résolution spatiale ou l'optimisation des techniques d'imagerie pour différents types d'échantillons. Dans l'ensemble, ce travail pave la voie à l'amélioration des outils et méthodologies de recherche biologique.