Meten Ruimtelijk-en Directionally-variërend lichtverstrooiing van biologisch materiaal
20 mei 2013
We presenteren een niet-destructieve methode voor het bemonsteren van ruimtelijke variatie in de richting van het licht verstrooid over structureel complexe materialen. Door het houden van het materiaal intact, we bewaren bruto-schaal verstrooiing gedrag, terwijl tegelijkertijd het vastleggen van gedetailleerde directionele bijdragen met een hoge resolutie imaging. Resultaten worden gevisualiseerd in de software op biologisch-relevante posities en schalen.
Het algemene doel van deze procedure is om de verandering in de richting van licht te meten en te visualiseren dat verstrooid wordt vanuit een structureel complex materiaal op meerdere structurele schalen om invallend licht en kijkrichtingen te controleren. Plaats een materiaal in het midden van de sferische draagconstructie met zijn lamp op één arm en zijn camera op een andere arm achtereenvolgens. Fotografeer het materiaal terwijl de lamp systematisch door een reeks discrete posities op een sfeer wordt bewogen, gecentreerd op het materiaal in de software.
Selecteer een gebied van belang op het materiaal en extraheer de pixels die het gebied in elke foto omvatten. Vervolgens worden de pixelwaarden toegewezen aan hun respectieve posities op de sfeer om de richting van het licht dat vanuit het geselecteerde gebied wordt verstrooid, te visualiseren. Ten slotte wordt de gegevens gebruikt om aanvullende metingen vanuit meerdere camerarichtingen en met verhoogde hoekresolutie te plannen.
Uiteindelijk helpt deze methode onderzoekers om de relatie tussen organismische structuur en directioneel visueel signalering te identificeren. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande beeldvormingsverstrooiingsgeometrie is ons vermogen in software om ruimtelijke variatie in directionele reflectie van complexe materialen over meerdere biologisch relevante schalen te visualiseren. Hoewel we ons richten op directionele signalering en verenkleeduiterlijk van vogels, is deze methode geldig voor andere optische systemen met structurele schaalhiërarchieën.
Als eerste stap in het experiment, verwerf een dunne Ferris-metalen montageplaat met een opening van ongeveer een halve inch, omgeven door een ring met doelen. Leg de te bestuderen veer tegen de achterkant van de plaat. Centreer het gebied van belang boven de opening.
Leg vervolgens een blad magnetisch film met een vergelijkbaar formaat opening tegen de achterkant van de veer om de veer tegen de plaat te drukken. Lijn de openingen van de film en de plaat uit, zorg ervoor dat de veer niet wordt afgeschaafd. Dit zou moeten resulteren in een veer die een vlakke macro-oppervlakte presenteert die ongeveer samenvalt met het plaatoppervlak.
Om de draagconstructie te configureren. Begin door het centrum van de ronde opening bij de oorsprong van het draagconstructiecoördinatensysteem te lokaliseren. Plaats een lichtbron op de buitenarm van de draagconstructie.
Richt en focus de lichtbron nauwkeurig op de veer. Plaats vervolgens een camera op de binnenarm van de draagconstructie. Pas de cameraafstand en de focus van de macrolens aan totdat de ring met doelen de breedte van de sensor vult.
Op dit punt zouden de armen van de draagconstructie gekalibreerd moeten zijn en de camerafocus en -belichting moeten worden geconfigureerd. Begin met meten door de optische as van de camera normaal op het oppervlakvlak te plaatsen. Plaats het licht in de eerste van een reeks posities die de richtingen van het invallende licht definiëren.
De posities moeten gelijkmatig verdeeld zijn op de sfeer, gecentreerd op de veer in een donkere ruimte. Voor elke lichtpositie, neemt u een ruwe afbeelding voor elke belichtingstijd in de eerder bepaalde belichtingsbereik. Vervolgens verplaatst u het licht naar de volgende positie en herhaalt u dit.
Zodra de gegevens zijn verzameld, begint u met het verwerken van de afbeeldingen voor elke inval. Lichtrichting. Integreer alle laag dynamische bereiksbelichtingen tot een enkele hoog dynamische bereikskleurige afbeelding.
Deze hoog dynamische bereikskleurige afbeeldingen worden gebruikt om de gegevens voor visualisatie te maken. Om de procesgegevens te bekijken, wordt de aangepaste eenvoudige browsertoepassing gebruikt. Deze opent naar een venster dat de afbeelding van de veer bevat die wordt verlicht door de eerste invallichtrichting.
Selecteer nu een gebied van de veerader voor analyse. Hier wordt een rechthoekig gebied gekozen uit de beschikbare opties. Plot de gemiddelde directionele lichtverstrooiing van het geselecteerde gebied, een plotvenster dat reflectie als functie van richting toont.
Co-teken opent naast het beeldvenster, pas de belichting van de kleurenkaart aan. Met behulp van de software is het mogelijk om de reflectiekleurenkaart op de eenheidssfeer tussen luminantie RGB en chroma te laten draaien. Onze GB wordt in het volgende gebruikt.
Klik op de sfeer om deze te draaien. Om de trackball-interface in te schakelen, sleept u de interface om draaien te veroorzaken. Om de reflectiehalfbol te bekijken, brengt u de sfeer terug naar de standaardpositie.
Draai de sfeer 180 graden vanaf de standaardpositie. Om de doorlaatheidhalfbol voor een andere weergave van de gegevens te bekijken, selecteert u de poolplotmodus om de stralen van elke richting op de eenheidssfeer te zien, geschaald naar hun respectieve luminantiewaarden. Verander de kleurenkaart van de luminantieschalen sfeer van RGB naar chroma.
De richting van de verlichting van de weergegeven afbeelding is omcirkeld in rood in de richtingsverstrooiingsplot. Klik op een andere invallichtrichting om de veer te laten verlichten vanuit die richting. Verlaag de belichting van de afbeelding om overbelichting te corrigeren.
Om reflectie over een hiërarchie van schalen te onderzoeken, keert u de plotmodus terug naar de eenheidssfeer en gebruikt u de RGB-kleurenkaart. Verander de selectietype van een rechthoekig gebied naar een lineair gebied. Dit maakt het mogelijk om reflectie van individuele fijnschalige structuren in het rechthoekige gebied te bestuderen.
Plot de reflectie van de lineaire gemiddelde in een nieuw venster terwijl u het rechthoekige gemiddelde behoudt als referentie. Hier worden de distale staartmules van de veer, overspannen door het lineaire gebied, gezien om licht langs het horizontale te reflecteren. Selecteer een van de verlichtingsrichtingen in de lineaire plot om de hoog reflectieve distale staartmules in de afbeelding links weer te geven om de aangrenzende donkere streep te onderzoeken.
Verplaats de lineaire selectie totdat deze dat gebied in de veerstructuur binnengaat. Het is hier dat de proximale ES-tak van de rami in de lineaire gemiddelde plot, de proximale ES, wordt gezien om licht verticaal te reflecteren. Selecteer een van de richtingen om de hoog reflectieve proximale pares in de afbeelding links weer te geven.
Observeer dat de fijnschalige structuren die licht horizontaal en verticaal in de
Overzicht
Deze studie presenteert een niet-destructieve methode voor het bemonsteren van de ruimtelijke variatie in de richting van licht dat wordt verstrooid door structureel complexe materialen. De techniek maakt het mogelijk om de integriteit van het materiaal te behouden, terwijl fijnschalige directionele bijdragen worden vastgelegd met behulp van hoge-resolutie beeldvorming.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Optische Beeldvorming
Achtergrond
- Het begrijpen van lichtverstrooiing is essentieel voor het bestuderen van complexe biologische materialen.
- Bestaande methoden tasten vaak de integriteit van de monsters aan.
- Deze methode is erop gericht om directionele reflectie te visualiseren zonder het materiaal te beschadigen.
- Het is bijzonder relevant voor het bestuderen van vogelveren en signalering.
Doel van de studie
- Om veranderingen in de richting van lichtverstrooiing van complexe materialen te meten en te visualiseren.
- Om de relatie tussen structurele kenmerken en visuele signalering te onderzoeken.
- Om een methode te bieden die toepasbaar is op diverse optische systemen met structurele hiërarchieën.
Gebruikte methoden
- Materialen worden in het centrum van een sferische gantry met een lichtbron en camera geplaatst.
- Er worden opeenvolgende foto's gemaakt terwijl de lichtbron door gedefinieerde posities beweegt.
- De gegevens worden verwerkt om lichtverstrooiing vanuit geselecteerde regio's van belang te visualiseren.
- Speciale software wordt gebruikt voor datavisualisatie en analyse van reflectiepatronen.
Belangrijkste resultaten
- De methode legt ruimtelijke variatie in directionele reflectie succesvol vast.
- Visualisaties onthullen de relatie tussen fijnmazige structuren en de algehele lichtverstrooiing.
- De resultaten zijn toepasbaar op zowel aviaire studies als andere complexe materialen.
- De techniek verdiept het begrip van optische eigenschappen over meerdere schalen.
Conclusies
- Deze niet-destructieve methode biedt een aanzienlijke vooruitgang in de beeldvorming van complexe materialen.
- Het maakt een gedetailleerde analyse van lichtverstrooiing mogelijk zonder de integriteit van het monster aan te tasten.
- De aanpak kan worden aangepast voor diverse onderzoeksapplicaties in de biologie en optica.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Het begrijpen van ruimtelijk en directioneel variërende lichtverstrooiing van complexe biologische materialen maakt mechanistische risicovermindering mogelijk bij de doelwitvalidatie voor optische signaleringspaden. Deze methode ondersteunt voorspellend vertrouwen door structurele kenmerken op millischaal te koppelen aan directionele reflectie-outputs, wat bijdraagt aan de ontwikkeling van assays voor fenotype-gebaseerde screening. Het biedt een ziekterellevant systeem voor het bestuderen van structurele hiërarchieën die visuele signalering beïnvloeden, met translationeel biomarkerpotentieel in organismen die iridescentie gebruiken voor communicatie of camouflage.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om te onderzoeken hoe structurele variaties op millischaal directionele lichtverstrooiingsfenotypen aansturen.
- Operationele waarde: Behoudt de integriteit van het monster terwijl structuur-functie-relaties over biologische schalen heen worden ontrafeld.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt hypothese-testen over de vraag of specifieke oriëntaties van barbulae waarneembare reflectievensters produceren.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve directionele reflectiekaarten als functionele read-outs voor het screenen van structurele varianten.
- Operationele waarde: Maakt gebruik van imaging met een hoge resolutie om de meting van ruimtelijk opgeloste verstrooiing over monsters te standaardiseren.
- Schaalbaarheid: Maakt plumedbereiding mogelijk voor reproduceerbare vergelijking van lichtinteractieprofielen over verschillende condities heen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Verbindt structurele gegevens op nano- en macroschaal met signaleringsuitkomsten op organismeniveau.
- Mechanistische Risicoreductie: Isoleert de bijdragen van specifieke morfologische elementen aan de directionele visuele output.
- Predictieve Betrouwbaarheid: Maakt modellering mogelijk van hoe structurele veranderingen de zichtbaarheid van signalering beïnvloeden onder natuurlijke verlichting.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen vroege discovery-workflows waarbij structurele hypothesetests voorafgaan aan de lead-identificatie, wat directionele verstrooiingsgegevens oplevert die het vertrouwen in het target bij optische signaleringssystemen onderbouwen.
- Ontdekkingsbiologie: Test hoe de oriëntatie van de barbulae de richting van de reflectie beïnvloedt om structuur-functie-relaties in signaleringspaden te verduidelijken.
- Screening: Genereert plots van directionele reflectie die een kwantitatieve vergelijking van structurele varianten onder gecontroleerde verlichting mogelijk maken.
- Analytica: Levert luminantie- en chroma-waarden als functies van de hoek, ter ondersteuning van statistische vergelijkingen van verstrooiingsprofielen.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt de organisatie van barbulae op milli-schaal met visuele signaleringspatronen op macro-schaal die relevant zijn voor gedragstesten.
- Bedrijfsmatige Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar platform voor het analyseren van elk structureel complex biologisch materiaal met hiërarchische optische eigenschappen.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door directionele reflectie toe te schrijven aan opgeloste structuren op millischaal.
- Operationele waarde: Maakt reproduceerbare, niet-destructieve bemonstering van ruimtelijke en directionele lichtverstrooiing over specimen-batches mogelijk.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen bij targetvalidatie door te verduidelijken of structurele veranderingen detecteerbare verschuivingen in signalering produceren.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering van targets op basis van de structurele voorspelbaarheid van optische fenotypes.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in optische beeldvorming, spectrale reflectantieanalyse en de preparatie van biologische specimens.
- Vereist een sferisch gantry-systeem met programmeerbare licht- en camera-armen voor directionele controle.
- Vereist standaardisatie van de selectie van het interessegebied (region-of-interest) en exposure bracketing voor de generatie van HDR-beelden.
- Omvat overwegingen met betrekking tot adaptatie bij toepassing op niet-aviane biologische materialen met verschillende structurele hiërarchieën.
- Afhankelijk van aangepaste software voor de visualisatie van reflectantie als functie van de richting op een eenheidssfeer.
Veelgestelde vragen over biopharma
Chapters in this video
0:05
Title
1:42
Mounting and Preparation of Object, Light, and Camera
2:55
Acquisition and Processing of Measurements from a Sparsely Sampled Sphere of Incident Directions
3:43
Browsing and Visualizing Measurements
6:50
Preparation for Measurements of Scattered Light in Multiple Camera Positions
8:10
Multiple Camera Position Example: Measurement of Seven Non-uniformly Sampled Reflectance Hemispheres
9:42
Results: Measurements from a Feather of the Purple Glossy Starling (Lamprotornis purpureus)
11:23
Conclusion
