Астрономический трюк позволил записывать скоростные 4D-видео движущихся организмов
Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка разработали вычислительную систему визуализации, которая заимствует методы астрономии для реконструкции 4D-видео свободно движущихся мелких модельных организмов, таких как рыбки данио и личинки плодовой мушки. Используя вогнутое зеркало и массив датчиков, исследователи смогли быстро захватывать свободные движения животных с десятков синхронизированных точек обзора.
Этот инструмент позволит ученым проводить более точные поведенческие исследования модельных организмов. Исследование было опубликовано 5 мая в журнале Optica.
Возможность записывать детальные 3D-видео поведения животных была сложной задачей. Обычные микроскопы сканируют линзу или луч для захвата 3D-изображений, что повышает вероятность появления артефактов движения, особенно у быстро движущихся организмов. Ограничение или усыпление организмов меняет само поведение, которое изучают.
Чтобы преодолеть эти препятствия, лаборатория доцента Роарка Хорстмейера разработала рефлексивную фурье-томографию светового поля, или ReFLeCT. Комбинируя массив из 54 камер, параболическое зеркало и новые вычислительные алгоритмы, команда смогла реконструировать быстрые 4D-видео рыбок данио и личинок дрозофилы.
Как работает система:
- Образец организма помещается в пробирку, которая фиксируется в центре вогнутого зеркала.
- Светодиодный свет освещает образец, помеченный флуоресцентным красителем.
- Каждая камера в массиве над зеркалом захватывает свой угол отражения животного.
- Вычислительный алгоритм использует эти данные для реконструкции 3D-изображения.
- Изображения объединяются в 4D-видео, показывающее движение во времени.
«С другими 3D-методами вам часто приходится перемещать фокус вслед за моделью, но нам не нужно ничего двигать, потому что камеры синхронно захватывают данные почти со всех перспектив», — пояснил Хорстмейер.
Результаты тестирования:
- Система захватывала до 120 объемных кадров в секунду — в десятки раз быстрее большинства других объемных микроскопических методов в этом режиме.
- Удалось наблюдать ранее невидимые поведения: например, перистальтические «извивающиеся» движения личинок дрозофилы, аналогичные движению горла при глотании.
Исследователи уже планируют улучшать систему и создавать новые коллаборации. Инструмент вызвал интерес у биологов для поведенческих исследований, а в будущем его планируют адаптировать и для нейровизуализации.