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プラグ&プレイレンズ、顕微鏡の適応型オブティクスを簡素化

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July, 10, 2020, Washington--モデナ大学の研究者は、商用光学顕微鏡に適応光学補正を付加できるプラグ&プレイデバイスを開発した。適応光学は、生体サンプル深部でとらえた画像品質を大幅に改善できるが、これまでは、実装が非常に複雑だった。

モデナ・レッジョ・エミリア大学(University of Modena and Reggio Emilia)の研究チームリーダー、Paolo Pozziは、「ライフサイエンティストが利用できる技術の改善は、われわれの生物学理解をさらに促進し、医者が利用できる薬や治療の改善につながる」とコメントしている。

Optics Lettersに発表された論文で、研究チーム新しい適応レンズデバイスについて説明している。また、それが市販の多光子顕微鏡に簡単にインストールでき、画像品質を改善することも示している。

「このアプローチにより、多光子顕微鏡などの先進的光学技術は生きた生物の脳の表面下をより深く撮像できるようになる。われわれは、それが他のシステムにどのように実装されるかを期待を持って見ている。例えばライトシート顕微鏡、超解像度システム、あるい非常にシンプルな落射蛍光顕微鏡などである」とコメントしている。

より深いイメージング
光学顕微鏡は、自然な状態で生体サンプルを撮像するために用いられ、時間経過とともに様々な生物学的プロセスを観察することがてきる。しかし、光が組織に浸透すると、歪む。この歪みは、光が組織深部に進むほど悪化し、画像はぼやけ、重要な細部が曖昧になる。

適応光学は最初は、望遠鏡を使って天体を観察する際に大気乱流の補償のために開発された技術である。この技術は、厚い組織のイメージングの際に起こる光学収差の補正に使える。しかし、そうするには一般に、可変形状(デフォーマブル)ミラーを組み込んだ特注顕微鏡が必要になる。このミラーは歪を補正するために使用され、シャープで鮮明な画像を生成する。

「既存顕微鏡にデフォーマブルミラーを組み込むことは、ほぼ不可能である。商用のアダプティブ顕微鏡はまだ市場に出ていない。したがって、ライフサイエンスがアダプティブオプティクスを利用するための唯一のオプションは、最初から顕微鏡全体を構築することである。これはほとんどのライフサイエンス研究所にとって難しすぎ、時間がかかる作業である」(Pozzi)。

より簡素なアプローチ
このセットアップを簡素化するために研究チームは、壊れることなく曲げられるほどに薄いガラス製のスマートレンズを作製した。レンズは、透明な液体を満たしたグラスのディスク形状の容器で構成されている。ガラスエッジの18の機械的アクチュエータは、コンピュータで制御して、所望の形状にガラスを曲げることができる。

ほとんどのオブティクスセットアップで使用されるデフォーマブルミラーのようにレンズは機能するが、それは光を反射するのではなく透過する。光がレンズ内部の液体を進むと、レンズの形状に依存して光は様々に歪む。

アダプティブオプティクス補正用のレンズを使うには、アクチュエータを制御する複雑なアルゴリズムが必要になる。「効率的な光学補正は、DONE(database online nonlinear extremum-seeker)アルゴリズで可能になった。これは非常にエレガントなソリューションで、マシンラーニングのような原理をベースしている。われわれがTU Delftで以前に開発したものである」(Pozzi)。

即座の結果
研究チームは、その新しいソフトウエアをテストした。ソフトウエアは、GitHubにより他の人も利用できる。また、アダプティブレンズは、商用多光子顕微鏡の対物レンズに適用した。チームは、その顕微鏡を使って、生きたマウスの脳でカルシウムイメージングを実行した、これは顕微鏡で行う最も複雑なライフサイエンス実験の一つである。

「われわれは、数時間以内に非常に素晴らしい成果を達成して期待を上回った。この技術は、対物レンズが交換可能であり、コンピュータスクリーに画像を表示する、どんな既存の顕微鏡にも後付けできる」(Pozzi)。

研究チームは現在、そのシステムを他のタイプの顕微鏡およびサンプルでテストしている。同時にマルチアダプティブレンズを使って、デフォーマブルミラーを使用するもっと複雑な技術で可能なよりも優れた補正ができるかどうかを調べている。チームは、マルチアクチュエータアダプティブレンズを商用化するためにスピンオフ会社、Dynamic Optics srlを設立した。

その新しいレンズは、顕微鏡以外のアプリケーションでも役立つ。「われわれの新しいデバイスは、FSO通信などの他の分野にも適用できる。データ補正レートを高め、遠隔および孤立したエリアとデータ接続ができる」とPozziは話している。