確率的構造化照明顕微鏡：スキャンレス超解像イメージング
確率的構造化照明顕微鏡（S2IM）：スキャンレス超解像イメージング技術の研究報告
学術的背景
超解像顕微鏡の分野において、従来の構造化照明顕微鏡（Structured Illumination Microscopy, SIM）技術は、高解像度イメージングを実現するために精密な機械制御とマイクロメートルレベルの光学アライメントを必要とします。しかし、この技術は複雑なハードウェアと高精度の操作を要求し、眼科検査や天文観測、活性物質研究など、長い作動距離や非侵襲的イメージングが必要な環境での使用が制限されていました。これらの問題を解決するため、イタリア工科大学（Italian Institute of Technology）の研究チームは、新しい超解像イメージング手法である確率的構造化照明顕微鏡（Stochastically Structured Illumination Microscopy, S2IM）を提案しました。この手法は、対象物体のランダムな動きを利用して照明パターンの精密な制御を回避し、実験プロセスを簡素化し、コストを削減します。
論文の出典
この研究はイタリア工科大学の研究チームによって行われ、主な著者にはDenzel Fusco、Emmanouil Xypakis、Ylenia Giganteらが含まれます。論文は2024年に『npj Imaging』誌に掲載されました。研究チームは、眼科検査における眼球運動の特性を活用し、S2IM技術がスキャンレス超解像イメージングにおいて持つ可能性を示しました。
研究のプロセス
1. 研究設計と実験対象
S2IM技術の核心は、対象物体のランダムな動きを利用して従来の照明制御を代替することです。研究チームは眼科検査を応用シナリオとして選択し、人間の眼球の自然なサッカード運動（saccadic movement）を利用して網膜上の照明パターンのランダムな変位を誘導しました。人間の被験者を直接使用することを避けるため、研究チームはモーター化された生物学的眼モデル（Motorized Biological Model Eye, M-BIME）を開発し、ヒト誘導多能性幹細胞（iPSC）から分化させた網膜ニューロンをサンプルとして使用しました。
2. 実験装置とデータ収集
実験装置には、レーザー光源、スペックル生成モジュール、LED光源、および2台の同期カメラが含まれます。レーザーはスペックル生成モジュールを通過してスペックル照明パターンを形成し、生物学的眼モデルの網膜に照射されます。LED光源は均一な反射照明を提供し、網膜の反射画像を取得するために使用されます。2台のカメラはそれぞれ蛍光信号と反射画像を取得し、露出時間は2ミリ秒に設定され、モーションブラーを回避します。
3. 画像処理と超解像再構築
取得した反射画像を使用して、研究チームは画像位置合わせ技術（image registration）を用いて網膜の変位を正確に計算しました。その後、蛍光画像は変位情報に基づいて補正され、再配置され、安定した蛍光オブジェクトのデータセットが生成されます。最後に、研究チームは勾配降下法に基づく超解像再構築アルゴリズムを開発し、低解像度画像スタックから高解像度画像を生成しました。
主な結果
1. 数値実験による検証
研究チームはまず数値実験を通じてS2IM技術の性能を検証しました。実験結果は、S2IMが従来の計算構造化照明顕微鏡（C-SIM）と同様の解像度向上を示し、画像数が増加するにつれて解像度向上が飽和値2に近づくことを示しました。さらに、S2IMはノイズに対して高い耐性を持ち、低信号対雑音比条件下でも安定した性能を維持することができました。
2. 生物学的眼モデル実験
生物学的眼モデル実験では、研究チームは直径15マイクロメートルの蛍光ビーズをテストサンプルとして使用しました。実験結果は、S2IM技術が解像度を6.5マイクロメートルから3.4マイクロメートルに向上させ、解像度向上係数が1.9であることを示し、数値実験の結果と一致しました。
3. 網膜ニューロンイメージング
研究チームはさらにS2IM技術をヒトiPSCから分化させた網膜ニューロンのイメージングに適用しました。蛍光信号が弱く、露出時間が制限されているにもかかわらず、S2IMは画像の解像度を大幅に向上させ、生物医学イメージングにおけるその可能性を示しました。
結論と意義
S2IM技術は、対象物体のランダムな動きを利用してスキャンレス超解像イメージングを実現し、従来のSIM技術における複雑な照明制御の必要性を回避しました。この技術は眼科検査、天文観測、活性物質研究などの分野で幅広い応用が期待されます。さらに、S2IM技術の簡素化された実験プロセスと低コスト特性により、臨床および研究における使用がより容易になります。
研究のハイライト
- 革新的な手法：S2IM技術は、対象物体のランダムな動きを超解像イメージングに初めて適用し、従来のSIM技術の制限を突破しました。
- 広範な応用可能性：この技術は眼科検査だけでなく、天文観測や活性物質研究などにも拡張可能です。
- 実験の簡素化とコスト削減：複雑な照明制御装置を回避することで、S2IM技術は実験の複雑さとコストを大幅に削減しました。
その他の価値ある情報
研究チームは、実験データとコードをGitHubプラットフォームで公開し、他の研究者が参照および使用できるようにしました。さらに、研究チームはアルゴリズムを最適化し、リアルタイムイメージング処理を実現することで、S2IM技術の応用価値をさらに高めることを計画しています。
この研究を通じて、S2IM技術は超解像顕微鏡の分野に新しい解決策を提供し、複数の科学分野におけるその大きな可能性を示しました。