Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Teknologi

Mikroskop menggunakan kombinasi optik adaptif berbasis perangkat keras dan perangkat lunak untuk merekonstruksi gambar objek – ScienceDaily


Teknik mikroskopis non-invasif seperti mikroskop koherensi optik dan mikroskop dua-foton biasanya digunakan untuk pencitraan in vivo jaringan hidup. Ketika cahaya melewati bahan keruh seperti jaringan biologis, dua jenis cahaya dihasilkan: foton balistik dan foton yang tersebar. Foton balistik berjalan lurus melalui objek tanpa mengalami defleksi dan karenanya digunakan untuk merekonstruksi gambar objek. Di sisi lain, foton tersebar banyak dihasilkan melalui defleksi acak saat cahaya melewati material dan muncul sebagai noise spekel pada gambar yang direkonstruksi. Saat cahaya merambat melalui jarak yang semakin jauh, rasio antara multiply hamburan dan foton balistik meningkat drastis, sehingga mengaburkan informasi gambar. Selain noise yang dihasilkan oleh multiply scattered light, penyimpangan optik cahaya balistik juga menyebabkan pengurangan kontras dan gambar kabur selama proses rekonstruksi gambar.

Jaringan tulang khususnya memiliki banyak struktur internal yang kompleks, yang menyebabkan hamburan cahaya multipel yang parah dan kelainan optik kompleks. Ketika sampai pada pencitraan optik otak tikus melalui tengkorak utuh, struktur halus dari sistem saraf sulit untuk divisualisasikan karena suara bintik yang kuat dan distorsi gambar. Ini bermasalah dalam penelitian ilmu saraf, di mana tikus banyak digunakan sebagai model organisme. Karena keterbatasan teknik pencitraan yang saat ini digunakan, tengkorak harus diangkat atau ditipiskan untuk menyelidiki jaringan saraf otak di bawahnya secara mikroskopis.

Oleh karena itu solusi lain telah disarankan untuk mencapai pencitraan jaringan hidup yang lebih dalam. Misalnya, mikroskop tiga foton telah berhasil digunakan untuk menggambarkan neuron di bawah tengkorak tikus dalam beberapa tahun terakhir. Namun, mikroskop tiga foton dibatasi oleh tingkat pengulangan laser yang rendah karena menggunakan jendela eksitasi dalam jangkauan inframerah, yang dapat merusak jaringan hidup selama pencitraan in vivo. Ia juga memiliki daya eksitasi yang berlebihan, yang berarti photobleaching lebih ekstensif dibandingkan dengan pendekatan dua foton.

Baru-baru ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Prof. CHOI Wonshik di Pusat Spektroskopi dan Dinamika Molekuler dalam Institute of Basic Science (IBS) di Seoul, Korea Selatan membuat terobosan besar dalam pencitraan optik jaringan dalam. Mereka mengembangkan mikroskop optik baru yang dapat mengambil gambar melalui tengkorak tikus utuh dan memperoleh peta mikroskopis jaringan saraf di jaringan otak tanpa kehilangan resolusi spasial.

Mikroskop baru ini disebut sebagai mikroskop matriks refleksi, dan menggabungkan kekuatan perangkat keras dan optik adaptif komputasi (AO), yang merupakan teknologi yang awalnya dikembangkan untuk astronomi berbasis darat untuk memperbaiki penyimpangan optik. Sementara mikroskop confocal konvensional mengukur sinyal refleksi hanya pada titik fokus iluminasi dan membuang semua cahaya di luar fokus, mikroskop matriks refleksi merekam semua foton yang tersebar pada posisi selain titik fokus. Foton yang tersebar kemudian dikoreksi secara komputasi menggunakan algoritme AO baru yang disebut akumulasi loop tertutup hamburan tunggal (CLASS), yang dikembangkan tim pada tahun 2017. Algoritme tersebut memanfaatkan semua cahaya yang tersebar untuk secara selektif mengekstrak cahaya balistik dan memperbaiki penyimpangan optik yang parah. Dibandingkan dengan sistem mikroskop AO paling konvensional, yang membutuhkan reflektor seperti titik terang atau objek fluoresen sebagai bintang pemandu yang mirip dengan penggunaan AO dalam astronomi, mikroskop matriks refleksi bekerja tanpa pelabelan fluoresen dan tanpa bergantung pada struktur target. Selain itu, jumlah mode aberasi yang dapat dikoreksi lebih dari 10 kali lebih banyak daripada sistem AO konvensional.

Mikroskop matriks refleksi memiliki keunggulan yang besar karena dapat langsung digabungkan dengan mikroskop dua foton konvensional yang sudah banyak digunakan dalam bidang ilmu hayati. Untuk menghilangkan aberasi yang dialami oleh pancaran eksitasi mikroskop dua foton, tim menerapkan optik adaptif berbasis perangkat keras di dalam mikroskop matriks refleksi untuk melawan penyimpangan tengkorak tikus. Mereka memamerkan kemampuan mikroskop baru dengan mengambil gambar fluoresensi dua foton dari tulang belakang dendritik neuron di belakang tengkorak tikus, dengan resolusi spasial mendekati batas difraksi. Biasanya mikroskop dua foton konvensional tidak dapat menyelesaikan struktur halus dendrit tulang belakang tanpa menghilangkan jaringan otak dari tengkorak seluruhnya. Ini merupakan pencapaian yang sangat signifikan, karena kelompok Korea Selatan mendemonstrasikan pencitraan jaringan saraf beresolusi tinggi pertama melalui tengkorak tikus utuh. Ini berarti bahwa sekarang mungkin untuk menyelidiki otak tikus di negara bagian aslinya.

Profesor riset YOON Seokchan dan mahasiswa pascasarjana LEE Hojun, yang melakukan penelitian tersebut, berkata, “Dengan mengoreksi distorsi muka gelombang, kita dapat memfokuskan energi cahaya pada lokasi yang diinginkan di dalam jaringan hidup.” “Mikroskop kami memungkinkan kami untuk menyelidiki struktur internal halus jauh di dalam jaringan hidup yang tidak dapat diselesaikan dengan cara lain. Ini akan sangat membantu kami dalam diagnosis penyakit dini dan mempercepat penelitian ilmu saraf.”

Para peneliti menetapkan arah penelitian berikutnya untuk meminimalkan faktor bentuk mikroskop dan meningkatkan kecepatan pencitraannya. Tujuannya adalah pengembangan mikroskop matriks reflektif tanpa label dengan kedalaman pencitraan yang tinggi untuk digunakan di klinik.

Wakil direktur CHOI Wonshik berkata, “Mikroskop matriks refleksi adalah teknologi generasi mendatang yang melampaui batasan mikroskop optik konvensional. Ini akan memungkinkan kita untuk memperluas pemahaman kita tentang perambatan cahaya melalui media hamburan dan memperluas cakupan aplikasi yang optik mikroskop dapat menjelajah. “

Sumber Cerita:

Materi disediakan oleh Institut Ilmu Dasar. Catatan: Konten dapat diedit gaya dan panjangnya.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney