Новый микроскоп M25 позволяет наблюдать за живыми организмами в 3D в реальном времени

Эдуардо Хирата Миясаки, проводивший исследования в лаборатории Сары Абрахамссон в Калифорнийском университете в Санта-Круз, а ныне работающий в Chan Zuckerberg Biohub, за сборкой нового микроскопа. Автор: Сара Абрахамссон

Учёные разработали высокоскоростной 3D-микроскоп, способный одновременно фиксировать динамику клеток целого живого организма. Эта технология открывает новые возможности для изучения процессов в биологии развития и нейронауках.

«Традиционные микроскопы ограничены скоростью перефокусировки, что затрудняет наблюдение за быстрыми 3D-процессами без искажений или потери данных», — пояснил Эдуардо Хирата Миясаки.

Новая система, названная M25, расширяет технологию многофокусной микроскопии (MFM), используя массив из 25 камер для одновременной съёмки на разных глубинах. Микроскоп позволяет получать 3D-изображения объёмом до 180×180×50 микрон со скоростью более 100 кадров в секунду.

Особенно полезен M25 для изучения нематод C. elegans — модельных организмов, используемых в исследованиях развития, нейробиологии и двигательных функций. Теперь учёные могут наблюдать за всей особью в естественном движении, а не за отдельными её частями.

Инновационная оптика

Ключевой элемент микроскопа — дифракционные оптические элементы, распределяющие фокальные плоскости между камерами. Эти наноструктурированные компоненты заменяют традиционные призмы, обеспечивая более компактную и масштабируемую систему.

«Использование решёток вместо громоздких призм позволяет добиться эффективной коррекции дисперсии при сохранении компактности», — отметила Сара Абрахамссон.

Исследователи также разработали специальное ПО для синхронизации данных с 25 камер. Полученные изображения формируют полное 3D-представление образца без механического сканирования.

Широкие возможности применения

M25 поддерживает как флуоресцентную, так и безындикаторную визуализацию, что особенно важно для изучения эмбриологии и других чувствительных биологических систем. Прототип уже успешно протестирован на различных модельных организмах.

Технология открыта для воспроизведения — инструкции по изготовлению оптических компонентов и ПО доступны на Zenodo и GitHub.

В будущем учёные планируют использовать систему для обучения ИИ-моделей, способных анализировать клеточные состояния и выявлять патологические изменения.

Подробнее: Eduardo Hirata-Miyasaki et al, High-speed 3D Imaging with 25-Camera Multifocus Microscope, Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.563617