Light גיליון פלואורסום microscopy הפך כלי חיוני במדעי הביולוגי, במיוחד עבור הדמיה חיה של דגימות גדולות, שלם. על ידי תאורה רק קטע אופטי דק של הדגימה, שיטה זו מפחיתה באופן דרמטי photobleaching ו phototoxicity בהשוואה ל-microscopyscopys, המאפשר לחוקרים לצפות תהליכים דינמיים לאורך השנים האחרונות, סדרה של חידושים טכניים יש את מה שדוחף את ההנחיות הקיימות כעת, על ידי בדיקות התפתחותיות מורכבות, ומאפשרת, החלמות, החל מאפקטים של בדיקות מעבדה, החלמות של בדיקות מעבדה, הן שיטות מחקר מתקדמות.

עקרון האור של Sheet Microscopy

מטוס מספק תאורה microscopy (SPIM), נפוץ יותר ידוע בשם microscopy נייר אור, משיגה קטע אופטי על ידי decoupling את אור תאורה וזיהוי מסלולים. גיליון דק של אור לייזר, בדרך כלל כמה מיקרומטר עבה, הוא צפוי דרך הדגימה מן הצד, שטף מרגש רק בתוך המטוס מואר, לאחר מכן נוזל פולטת על ידי ספירת חלקיקים נפרדת בכיוון אחד ניתן ללכוד את התמונה השנייהD רק על ידי המצלמה כולה.

יתרונות בטכניקות מיקרוסקופיה

מיקרוסקופית ריכוז, בעוד מסוגלת לחלק אופטי מעולה, מסתמכת על תאורה נקודה-scanning ואת הפרצה כדי לדחות את האור מחוץ-ממוקד. גישה זו היא איטיה באופן טבעי לחשוף את כל עומק הדגימה לקליט לייזר אינטנסיבי במהלך כל מהירויות של קלטת z-slice, המוביל להפחתה מצטברת של מיקרוסקופיות צילום.

פריצות טכנולוגיות מפתח

התצורה המקורית של SPIM, בעוד אלגנטי, סובל ממספר מגבלות מעשיות, כולל תאורה לא אחידה על פני שדה הראייה, צללים חפצים מבני ⁇ , ועומק מוגבל ברקמות פיזור.ה להלן קדמונים התייחסו לרבים מן הנושאים האלה, מרחיבה מאוד את הכדאיות של מיקרו-סנוסקופיה קלילה.

המונחים: non-Diffracting and Structured Light Sheets

גליונות אור מסורתיים של גאווסיאן מייצרים קטע נקי, דק רק בטווח מוגבל של ריילי, הגבלת שדה הראייה הנתרן (Bessel beams), אשר אינם מתפרקים בטבע, יכולים להפיץ על פני מרחקים ארוכים יותר תוך שמירה על ליבה מרכזית צר, הניב דחיסה אחידה של גלימות אור (Lattice Lightsheetscopyscopyscopy), אשר מוצג על ידי אריק ביג ועמיתיו, משלבת תצורה אופטית בעלת תצורה דקה אחת עם קרינת אור דקת (D) עם דינמית בעלת נפח הדמיה אחידה).

גילוי-Side Innovations: אופטיקה הסתגלות ומצלמות רגישות גבוהה

דגימות ביולוגיות הן heterogeneous אופטית, גרימת aberrations כי איכות תמונה מדרגה, במיוחד בעומק.אופטיקה אדפטיבית (AO), שפותחה במקור עבור אסטרונומיה, משתמשת מראות חד-פעפיים או מודטורים אור מרחבי כדי לתקן את המסגרות הללו בזמן אמת.על ידי מדידה של עיוות גלנט, מערכות AO יכול לשחזר פתרון קצר-מסוגל אפילו בתוך פיזור לייזרים כגון ספקטרום גבוה של רמות מהירות של לייזר, כגון CM-מוח, 000-מסוגיות מהירות יותר, או מהירות יותר, עם רמות מהירות גבוהה יותר, 000.

Multiview ו- Multi-Angle Imaging

תמונות קלאסיות SPIM רק מטוס אחד בכל פעם, אבל מבנים ביולוגיים רבים הם מפוזרים מאוד, המוביל לצללים על ידי קליטת חפצים (כגון תאים פיגמנטיים) או פיזור קדימה. Multiview אור microscopy כתובות זה על ידי תאורה הדגימה מזווית מרובות ורקבת הדגימה את הדגימה במהלך שחזורים של למידה.

סוללות עבודה צבעוניות וגבוהות באמצעות חישוב

כדי לתרגם מיקרוסקופיות נייר אור לתוך כלי שגרתי עבור ביולוגיה והנדסה, אוטומציה כבר חיוני.שלבים רובוטיים עבור לוחות רב-וול, התקנים מיקרו-השפעהיים עבור מיקום דגימה מדויקת, מיקוד אוטומטי ומערכות תיקון סחף אפשרו רכישה לטווח ארוך על שעות רבות או ימים ללא התערבות של משתמשים (לדוגמה, שילוב של מיקרוסקופ אור עם כדור מים ומערכות היתוך גז מאפשר שליטה מדויקת של טמפרטורה ורמת חמצן משולבת, במהלך התעמלות של תאים).

עיבוד נתונים ותפקיד למידת מכונות

כרכים הנתונים העצומים שנוצרו על ידי מיקרוסקופי גיליון אור מודרניים - לעתים קרובות terabytes לניסוי - צינורות חישוביים יעילים.מתקדמים בדימוי denoising, deconvolution, ואלגוריתמים פלח היו מכריעים. גישות למידה עמוקה, במיוחד רשתות עצביות אבולוציה (CNN), מספקים כעת פתרונות חזקים עבור משימות אלה.

יישומים בהנדסה ביולוגית

ההתקדמות הטכנולוגית שתוארה לעיל אפשרה ישירות גל חדש של יישומים בהנדסה ביולוגית, שבו היכולת לצפות במערכות חיים ב 3D ולאורך הזמן היא קריטית.

פיתוח של אורגניזמים ומודלים של Tissue

(Orgenoids) - מבנים תלת-ממדיים, מאורגנים עצמיים שמקורם בתאי גזע - נועדו לשכפל את הארכיטקטורה ואת הפונקציה של איברים.כדי להבין כיצד איברים נבדלים וצמחים, החוקרים חייבים לפקח על החלטות תאים, רקמות, ו היווצרות lumen הוכיחו במשך ימים או שבועות את המיקרוסקופיות של אור CLT מספק את הסימולציות לטווח ארוך, נמוך-לדוגמא, מחקרים של איבר-מיקרו-מיקרו-אופטימיים אנושיים המשמשים למעקב אחר תאים ויזואליים של התפתחותיים ומיקרו-ת של תאים ויזואליים מדויקים יותר.

Neuroscience: Imaging Brain Activity

מיקרוסקופיות Light גיליון הפך שיטה עוצמתית לרישום פעילות עצבית על פני אוכלוסיות גדולות של נוירונים בשילוב עם אינדיקטורים סידן מקודדים גנטית (למשל, GCaMP), זה יכול ללכוד את הדינמיקה הזמנית של ירי עצבי ב פרוסות מוח לשעבר או אפילו בגילוי של חיות מורכבות כגון zebraal בניין מחקר s.

ביולוגיה ודימום Flow Dynamics

היכולת לצלם זרימת דם ו היווצרות כלי שיט בזמן אמת היא קריטית להבנת מחלות פולשניות ולרקמות פונקציונליות הנדסה. microscopy Light יכול ללכוד את זרימת הדם האדומה באמצעות capillaries, למדוד לחץ על תאים נוסטלליים, ולעקוב אחר רקמות של כלי שיט חדשים במהלך angiogenesis. טכניקות מתקדמות, כגון קו-scanning Lightscopys, יכול להשיג לחץ מימי מיקרו-דלקתיים ממוקדים עבור תרופות נוגדות נשימה מדויקת של סרטן הרחם.

בדיקות סמים וטוקסיקולוגיה ב 3D מודלים

תרבות תאים דו-ממדית לעתים קרובות לא לחזות תגובות סמים vivo. 3-ממדיות ו-Ornyoids לספק סביבה מציאותית יותר לבדיקת יעילות ו רעילות, אבל האופי האוטק שלהם מקש על תמונה עם מיקרוסקופים סטנדרטיים.microscopyscopy מצטיינים בנישות זו, כפי שהוא יכול לחדור כמה מאות מיקרומטר לתוך pheroid עם phosology מינימלית יכול לפקח על מאות מקבילות של תרופות סגסוגת הרחם, 000 של חומרת, 000 של תרופות סגסוגת גבוהה.

ביולוגיה התפתחותית ומחקרי התחדשות

מיקרוסקופיות אור קלאסי היה חלוצה עבור העוברים, והוא נשאר אבן הפינה של חקר התפתחות והתחדשות. חוקרים השתמשו SPIM כדי ליצור עוברים דיגיטליים של דגי אור, זבובי פירות, ו C. elegans, מעקב אחר כל חלוקת תאים ותנועה על פני כל ציר זמן התפתחותי כולו.ההתקדמות האחרונה דחפה את המחקרים הללו במערכות ממאנזיות, כגון הדמיה של עכברים טרמפנזה ב טרום-השתלות, המאפשרתלציה גנטית של שיטות בדיקה, כמו הנדסת מינים ספציפיים של חומרים.

כיוונים עתידיים וסיכויים מתעוררים

בעוד מיקרוסקופיה של גיליון האור כבר שינתה אזורים רבים של ביולוגיה והנדסה, מחקר מתמשך ממשיך להרחיב את טווח ההגעה שלה.

שילוב עם שינויים אחרים

שילוב של microscopy נייר אור עם טכניקות משלימים יכול להניב נתונים עשיר יותר.לדוגמה, הפיכה עם קוהרנטיות אופטית coherence tomography (OCT) או הדמיה פוטו-אקטית מספקת הן פלואורנס וניגוד מבני. סימולציה כפולה צילום ו-Firece קל יכול לגשת לשכבות רקמות עמוקות יותר או להפעיל בדיקות אופטיקוגנטיות תוך הדמיה.

למידה עמוקה עבור שליטה בזמן אמת וניתוח

הגבול הבא הוא השימוש בבינה מלאכותית לא רק לניתוח שלאחר-הוק אלא גם לשליטה בזמן אמת של המיקרוסקופ.מודלים למידה עמוקה יכולים כעת לבצע פלחציה מקוונת, לזהות אירועים נדירים, ולדריך את תהליך הרכישה – למשל, על ידי כך שבאופן אוטומטי מתכנסים באירוע חלוקת תאים תוך שמירה על סקירה רחבה של הנדסה.זה "מיקרוסקופית חכמה" מפחיתה את צרכי אחסון הנתונים ומאפשרת למשתמשים להתמקד רק באירועים ביולוגיים רלוונטיים יותר, כאשר הם הופכים לדגמי חומרים יעילים יותר, כמו גם לדגמי הנדסה.

אנטומיה גדולה ו-Scale

טכניקות ניקוי צמתות, כגון IDISCO+, CUBIC ו CLARITY, להפוך איברים שלמים שקופה, המאפשרת הדמיה של גיליון אור של מוחות עכבר שלמים, גידולים, או ביופסיה ברזולוציה תת-תאית. גישה זו, המכונה הדמיה מזהה mesoscopic במהירות, מייצרת נתונים בקנה מידה בקנה מידה בקנה מידה בינוני שניתן להשתמש כדי למפות קישוריות עצבית, הדמיה של גידולים, או לנתח את התאים המתקדמים של מיקרוסקופים אופטיים מיקרוסקופים מתקדמים.

מסקנה

מיקרוסקופית Light גיליון התפתחה מטכניקת ביולוגיה התפתחותית נישה לתוך פלטפורמה תכליתית עבור הדמיה חיה על פני מספר רב של קשקשים זמן וקשקשים.הזיכוך המתמשך של דור גיליון אור, זיהוי חומרה, אוטומציה וניתוח חישובי הפך אותו הכרחי עבור הנדסה ביולוגית.היכולת שלה ללכוד רזולוציה גבוהה, שלושה ממדים עם תצלומים מינימליים מאפשר לחוקרים להתבונן תהליכים מורכבים כגון פיתוח, פעילות עצבית, ודינמיקה מלאה, ללא ספק, כמו פעילות מיקרו-שלבית, כמו גם פיזיולוגית, כמו פונקציות גבוהות יותר, כמו מערכות מיקרוסקופיות, כמו מרכזי יותר, כמו מערכות מיקרוסקופיות, כמו גם פיזיולוגיות יותר, כמו שילוב של מערכות מיקרוסקופיות, כמו גם פיזיולוגיות יותר, כמו מערכות מיקרוסקופיות, כמו שילוב יותר, כמו פונקציות מיקרוסקופיות, כמו גם פיזיולוגיות יותר, כמו פונקציות מיקרוסקופיות, כמו גם פיזיולוגיות יותר, כמו גם פיזיולוגיות, כמו מערכות בקרה גבוהה יותר, כמו מערכות בקרה גבוהה יותר, כמו מערכות בקרה גבוהה יותר, כמו שילוב של מערכות בקרה ריכוזיות, כמו מערכות מיקרוסקופיות, 000.