Traducido por Julio Batista
Original de Ken Kingery para un duque de la universidad
Cuando dos valientes estudiantes de posgrado tomaron su primera fotografía con el microscopio montado, el resultado fue mejor de lo que esperaban. Claro, había un agujero en una sección y otra estaba al revés, pero aún podían encontrar o wally.
Al día siguiente, el dúo resolvió problemas de software y demostró un dispositivo de prueba de concepto que pronto apareció en el libro clásico sobre fracturas de cabeza en niños. Al combinar 24 cámaras de teléfonos inteligentes en una sola plataforma y unir sus imágenes, crean una sola cámara capaz de capturar imágenes de gigapíxeles en un área del tamaño de una hoja de papel.
Seis años, varias iteraciones de diseño y un esfuerzo pionero después de eso, los investigadores hicieron un descubrimiento inesperado. Mejorar el proceso de unir simultáneamente docenas de cámaras individuales con resolución de subpíxeles también les permitió ver dos objetos en altura.
«Es como la visión humana», dice Roarke Horstmeyer, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke. “Si mezclas múltiples puntos de vista (como tus dos caras una frente a la otra), verás los objetos desde diferentes ángulos, o eso te dará altura. Cuando nuestros colegas que estudian el pez cebra o lo usan por primera vez, se sorprenderán. Inmediatamente reveló nuevos comportamientos que involucraban una profundidad que nunca antes habían visto.
En un artículo publicado en línea el 20 de marzo en Fotónica de la naturaleza, Horstmeyer y sus colegas demuestran las capacidades de su nuevo microscopio 3D de gigapíxeles de alta velocidad llamado Multiple Camera Array Microscope (MCAM). Ya sea que grabe películas en 3D del comportamiento de docenas de peces cebra que nadan libremente o las actividades carroñeras de las moscas de la fruta con detalles casi a nivel celular en un campo de visión muy amplio, el dispositivo abre nuevas posibilidades para los investigadores para todos.
La versión más reciente de MCAM incluye 54 lentes con mayor velocidad y resolución que el prototipo encontrado por Wally. Basado en un trabajo reciente llevado a cabo en estrecha colaboración con el laboratorio de la Dra. Eva Naumann en la Universidad de Duke, el software innovador le da al microscopio la capacidad de realizar mediciones en 3D, proporcionar más detalles a escalas más pequeñas y realizar películas con una velocidad de fotogramas más alta.
Sin embargo, el diseño altamente paralelizado de MCAM crea sus propios desafíos de procesamiento de datos, después de unos minutos de grabación podemos producir más de un terabyte de datos. “Hemos desarrollado nuevos algoritmos que pueden procesar de manera eficiente estos conjuntos de datos de video extremadamente grandes”, dice Kevin C. Zhou, becario postdoctoral de Horstmeyer que no pertenece al laboratorio y autor principal del artículo. “Nuestros algoritmos combinan la física y el aprendizaje automático para combinar transmisiones de video de todas las cámaras y recuperar información de comportamiento en 3D en el espacio y el tiempo. Hemos abierto nuestra fuente en GitHub para que todos puedan experimentar. »
En la Universidad de California – São Francisco, Matthew McCarroll observa el comportamiento del pez cebra expuesto a drogas neuroactivas. Al buscar cambios de comportamiento debido a diferentes clases de medicamentos, los investigadores pueden descubrir nuevos tratamientos potenciales o comprender mejor los existentes.
Sin papel, McCarroll y su grupo descubren algunos movimientos interesantes que nunca antes habían visto mediante el uso de esta cámara. Los activos 3D de MCAM, combinados con su amplia vista, les permitirán registrar las diferencias entre la captura de dos peces, si estaban estirados hasta el topo o hasta el fondo de sus tanques y cómo siguieron a su presa.
«Hace mucho tiempo, construimos nuestro propio equipo con lentes y cámaras únicas, que funcionarán bien para nuestros propósitos, pero eso está en un nivel completamente diferente», dice McCarroll, un científico independiente que estudia química farmacéutica junto con una serie de investigadores profesionales. del sistema da UC. “Solo somos biólogos saltando con la óptica. Es asombroso lo que un físico legítimo puede hacer para mejorar nuestros experimentos.
En la Universidad de Duke, el laboratorio de Michel Bagnat, profesor de biología celular, también trabaja con pez cebra. Pero, en lugar de observar los cambios de comportamiento inducidos por las drogas, los investigadores estudian cómo los animales se desarrollan desde un huevo hasta un adulto completamente formado a nivel celular.
En estudios anteriores, los investigadores tuvieron que anestesiar y preparar a los peces en desarrollo para mantenerlos vivos mientras se realizaban mediciones con láser. Dejarlos dormir por períodos prolongados también puede provocar cambios en su desarrollo que pueden sesgar los resultados del experimento. Con la ayuda del nuevo MCAM, los investigadores demostrarán que pueden obtener todas estas medidas mientras los peces viven sus vidas libres, sin necesidad de anestesia ni preparación.
«Con los recursos de imágenes fluorescentes y 3D de este microscopio, puede cambiar el curso de la cantidad de biólogos del desarrollo que realizan sus experimentos», dice Jennifer Bagwell, científica investigadora y directora del laboratorio de Bagnat. “Sobre todo si el pez anestesia su desarrollo, que estamos estudiando actualmente”.
Además de rastrear comunidades enteras de pequeños animales, como el pez cebra, en experimentos, Horstmeyer espera que este trabajo también permita estudios automatizados paralelos más grandes. Por ejemplo, el microscopio puede observar una placa con 384 pozos cargados con una variedad de organoides para probar posibles reacciones farmacéuticas, registrar las respuestas celulares de cada pequeño experimento y reportar de forma autónoma cualquier resultado de interés.
“El laboratorio moderno se automatiza cada día más, con grandes platos de unos pocos precargados y sostenidos sin que los toque una mano humana”, dice Horstmeyer. «El gran volumen de datos crea demandas de nuevas tecnologías que pueden ayudar a automatizar o rastrear y capturar dos resultados».
Junto con el coautor Mark Harfouche, quien fue el cerebro detrás de la captura de su primera imagen de Wally, Horstmeyer lanzó una nueva empresa llamada Ramona Optics para comercializar la tecnología. Uno de sus primeros licenciatarios, MIRA Imaging, usa tecnología en obras de arte, coleccionables y artículos de lujo para protegerse contra la falsificación y el fraude.
Otros ejemplos del microscopio en acción se pueden encontrar en: