Un nuevo microscopio desarrollado por Technion, el Instituto de Tecnología de Israel, promete revolucionar el campo de la biología al ofrecer a los científicos un vistazo en 3D de las células en acción en superresolución.
Los microscopios, como regla, producen imágenes bidimensionales de las células permitiendo a los biólogos una vista de lo que está sucediendo en su interior, pero tales imágenes innatamente pierden información ya que el mundo es tridimensional. Hasta la fecha, los científicos han trabajado alrededor del problema escaneando una muestra en capas para producir una imagen compuesta computarizada de todas las capas como un objeto tridimensional.
Pero el proceso es limitado, ya que la muestra debe permanecer quieta durante largos períodos de tiempo para permitir que cada capa sea escaneada, lo que significa que no puede ser utilizada para ver una célula en acción en 3D.
Además, la microscopía óptica estándar, en la que la luz pasa a través de la muestra y una lente para ampliar la imagen, está limitada por el límite de difracción de la lente.
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Presentamos DeepSTORM3D – un sistema de mapeo 3D de súper resolución desarrollado por los investigadores de Technion. No solo es capaz de mapear imágenes con una resolución diez veces mayor que la alcanzada por la microscopía óptica estándar, sino que también es capaz de mapear imágenes 3D en sistemas en movimiento.
“Para obtener información de profundidad de una imagen 2D utilizamos la conformación de frente de onda – un método óptico que codifica la profundidad de cada molécula en la imagen obtenida en la cámara”, explicó el Prof. Asst. Yoav Shechtman, quien dirigió el desarrollo de DeepSTORM3D. “El problema de este método es que, si varias moléculas están cerca, sus imágenes se superponen en la cámara y esto perjudica drásticamente la resolución espacial y temporal, hasta el punto de que algunas muestras no pueden producir imágenes útiles en absoluto”.
Para resolver este problema, los investigadores se dirigieron al campo del aprendizaje profundo, desarrollando una red neural artificial capaz de formular su propia solución. Al enseñar el sistema utilizando un gran número de muestras virtuales a la red, la red neuronal fue capaz de entrenarse a sí misma en cómo producir imágenes 3D de súper resolución a partir de datos de microscopía del mundo real.
“La nueva tecnología nos ha hecho avanzar hacia la realización de uno de los santos griales de la investigación biológica: la cartografía de los procesos biológicos en células vivas en superresolución”, dijo Shechtman. “Es importante que las ciencias de la vida se beneficien de nuestra instrumentación, y mantenemos estrechas relaciones con los biólogos que nos explican sus necesidades”.
Utilizando el sistema, los investigadores pudieron demostrar la capacidad del sistema para hacer un mapa tridimensional de las mitocondrias, el productor de energía de la célula, y entender la imagen volumétrica de los telómeros marcados con fluorescencia en las células vivas, que son, entre otras cosas, responsables de la división celular.
No solo eso, sino que los investigadores descubrieron que la red neuronal no solo era capaz de mapear los datos, sino que también podía mejorar la instrumentación utilizada.
“Esta es tal vez la dirección más emocionante que surge del desarrollo actual”, dijo Shechtman. “La red neuronal nos ha proporcionado el diseño físico óptimo del sistema óptico. En otras palabras, la computadora no solo analiza los datos sino que nos ha mostrado cómo construir el microscopio. Este concepto también puede aplicarse en campos no relacionados con la microscopía, y estamos trabajando en ello”.