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Quando dois corajosos alunos de pós-graduação tiraram a primeira foto com seu microscópio montado, o resultado foi melhor do que eles esperavam. Claro, havia um buraco em uma seção e outra estava de cabeça para baixo – mas eles ainda podiam encontrar Wally.
No dia seguinte, a dupla resolveu seus problemas de software e demonstrou um dispositivo de prova de princípio bem-sucedido no clássico livro de quebra-cabeça infantil. Combinando 24 câmeras de smartphones em uma única plataforma e unindo suas imagens, eles criaram uma única câmera capaz de capturar imagens em gigapixel em uma área do tamanho de um pedaço de papel.
Seis anos, várias iterações de design e uma empresa iniciante depois, os pesquisadores fizeram uma descoberta inesperada. Aperfeiçoar o processo de unir dezenas de câmeras individuais com resolução de subpixel simultaneamente permitiu que eles também vissem a altura dos objetos.
“É como a visão humana”, disse Roarke Horstmeyer, professor assistente de engenharia biomédica na Duke University. “Se você mesclar vários pontos de vista (como seus dois olhos fazem), você vê objetos de diferentes ângulos, o que lhe dá altura. Quando nossos colegas que estudam o peixe-zebra o usaram pela primeira vez, ficaram maravilhados. Ele imediatamente revelou novos comportamentos envolvendo tom e profundidade que eles nunca tinham visto antes.”
Em um artigo publicado on-line em 20 de março na Nature Photonics, Horstmeyer e seus colegas mostram as capacidades de seu novo microscópio 3D de gigapixel de alta velocidade chamado Multi Camera Array Microscope (MCAM). Seja gravando filmes 3D do comportamento de dezenas de peixes-zebra nadando livremente ou da atividade de limpeza de moscas-da-fruta com detalhes próximos ao nível celular em um campo de visão muito amplo, o dispositivo está abrindo novas possibilidades para pesquisadores de todo o mundo. A versão mais recente do MCAM conta com 54 lentes com maior velocidade e resolução do que o protótipo que encontrou Waldo. Com base no trabalho recente concluído em estreita colaboração com o laboratório da Dra. Eva Naumann na Duke, o software inovador dá ao microscópio a capacidade de fazer medições 3D, fornecer mais detalhes em escalas menores e fazer filmes mais suaves.
O design altamente paralelizado do MCAM, no entanto, cria seus próprios desafios de processamento de dados, pois alguns minutos de gravação podem produzir mais de um terabyte de dados. “Desenvolvemos novos algoritmos que podem lidar eficientemente com esses conjuntos de dados de vídeo extremamente grandes”, disse Kevin C. Zhou, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Horstmeyer e principal autor do artigo. “Nossos algoritmos combinam a física com o aprendizado de máquina para fundir os fluxos de vídeo de todas as câmeras e recuperar informações comportamentais 3D no espaço e no tempo. Tornamos nosso código aberto no Github para que todos possam experimentar.”
Na Universidade da Califórnia – São Francisco, Matthew McCarroll observa o comportamento do peixe-zebra exposto a drogas neuroativas. Ao procurar mudanças de comportamento devido a diferentes classes de drogas, os pesquisadores podem descobrir novos tratamentos em potencial ou entender melhor os existentes.
No jornal, McCarroll e seu grupo descrevem movimentos interessantes que nunca haviam visto antes graças ao uso dessa câmera. Os recursos 3D do MCAM, juntamente com sua visão abrangente, permitiram que eles registrassem as diferenças no tom dos peixes, se eles tendiam para o topo ou o fundo de seus tanques e como rastreavam as presas.
“Há muito tempo construímos nossos próprios equipamentos com lentes e câmeras individuais, que funcionaram bem para nossos propósitos, mas isso está em um nível totalmente diferente”, disse McCarroll, um cientista independente que estuda química farmacêutica na série de pesquisadores profissionais do sistema UC. . “Somos apenas biólogos brincando com óptica. É incrível ver o que um físico legítimo pode fazer para melhorar nossos experimentos.”
Na Duke, o laboratório de Michel Bagnat, professor de biologia celular, também trabalha com zebrafish. Mas, em vez de observar as mudanças comportamentais induzidas por drogas, os pesquisadores estudam como os animais se desenvolvem de um ovo para um adulto totalmente formado em nível celular.
Em estudos anteriores, os pesquisadores precisavam anestesiar e montar os peixes em desenvolvimento para mantê-los estáveis enquanto as medições eram feitas com lasers. Mas derrubá-los por períodos prolongados também pode causar mudanças em seu desenvolvimento que podem distorcer os resultados do experimento. Com a ajuda do novo MCAM, os pesquisadores mostraram que são capazes de obter todas essas medições enquanto os peixes vivem suas vidas livres, sem nocautes ou grampos necessários.
“Com os recursos de imagem 3D e fluorescente deste microscópio, ele pode mudar o curso de como muitos biólogos do desenvolvimento fazem seus experimentos”, disse Jennifer Bagwell, cientista pesquisadora e gerente de laboratório no laboratório de Bagnat. “Especialmente se a anestesia do peixe afetar seu desenvolvimento, algo que estamos estudando agora.”
Além de rastrear comunidades inteiras de pequenos animais, como peixes-zebra, em experimentos, Horstmeyer espera que este trabalho também permita estudos paralelos automatizados maiores. Por exemplo, o microscópio pode observar uma placa com 384 poços carregados com uma variedade de organoides para testar possíveis reações farmacêuticas, registrando as respostas celulares de cada minúsculo experimento e sinalizando autonomamente quaisquer resultados de interesse.
“O laboratório moderno está se tornando mais automatizado a cada dia, com grandes placas de poços sendo preenchidas e mantidas sem nunca tocar em uma mão humana”, disse Horstmeyer. “O grande volume de dados está criando demandas por novas tecnologias que podem ajudar a automatizar o rastreamento e a captura dos resultados.”
Junto com o coautor Mark Harfouche, que foi o cérebro por trás da captura de sua primeira imagem de Waldo, Horstmeyer lançou uma empresa iniciante chamada Ramona Optics para comercializar a tecnologia. Um de seus primeiros licenciados, MIRA Imaging, está usando a tecnologia para “impressão digital” de obras de arte, colecionáveis e artigos de luxo para inocular contra falsificação e fraude.
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