Atemberaubende 3D enthüllen Sperma Bilder neue Bewegung

Aydogan Ozcan ist Experte für Optik und Bildverarbeitung und führt die Bio - und Nano-Photonik-Labor in der Elektrotechnik und Bioengineering Abteilungen an der UCLA. Er trug dieses Artikels zu LiveScience Experte stimmen: Op-Ed & Einblicke.

In der vergangenen Woche unser Research-Team kündigte die Entdeckung eines völlig neuen Muster der Bewegung für eine bekannte mikroskopische Schwimmer: Sperma.

In Proben von Menschen und Pferden konnten wir auf Tausende von Zellen auf einmal zu identifizieren ein Spermium schwimmen Muster, die wir nie zuvor gesehen hatte. Das ungewöhnliche, aufgerollt-Band Muster war erheblich komplexer als Spermien schwimmen Muster, die wir letztes Jahr beobachtet, alle Befunde, die für Fruchtbarkeit, Gesundheit und unser Verständnis der mikroskopischen Welt auswirken könnte.

Das neue Schwimmbad-Muster zu finden, war eine schwierige Beobachtung zu machen, da die Bewegung tritt bei Längen, die kleiner als ein Millionstel eines Meters. Wir mussten spezielle Mikroskopiertechniken zu entwickeln, die die erforderliche hohe Auflösung und schnellen Bildraten erzielen konnten.

Techniken, die wir und andere Forscher für dreidimensionale (3D) Tracking von mikroskopisch kleinen Schwimmer entwickelt – wie Sperma, Protisten oder Bakterien – hatten bereits ergeben die einzigartige schwimmen Muster dieser Organismen, einschließlich spiralförmige, Stern-Spinning und flache Bewegungen, die in einer Ebene liegen. Die neuen Muster, die wir chiralen Bänder nennen, blieb jedoch bis heute unentdeckt. [Siehe Video Spriraling Sperma in 3D]

Während spezialisierte Objektive die notwendigen Vergrößerung für uns beobachten solche Microscale, rasche Ereignisse liefern könnten, sind Objektiv-basierte Mikroskope in der Regel nicht gut geeignet für den Blick auf eine große Anzahl von Objekten in großem Volumen verstreut.

Stattdessen setzen wir auf einen aufstrebenden Satz von Techniken, die Berechnung als Ersatz für die physikalische Funktion der Objektive zu verwenden. Diese neuen Ansätze können eine deutlich größere Anzahl von individuellen, mikroskopische Trajektorien in 3D verfolgen.

Um diejenigen auszuführen legen Sie computergestützte bildgebende Verfahren, wir Proben (z. B. die Samenzellen) auf einen Silizium-Sensor-Chip, den gleichen Bildsensor, die möglicherweise auf der Rückseite des Handys. Durch einfach strahlendes Licht auf die Probe, wir schaffen Schatten der Microscale Objekte und dynamisch aufnehmen.

Die Schatten sind Hologramme der Probe, die wir digital verarbeiten können, um ein Abbild des Mikro-Objekts zu erstellen, ohne jede Objektive. Unser Ansatz hat einen viel höheren Durchsatz als andere und ist besser geeignet, um seltene und unkonventionelle 3D schwimmen Ereignisse, die bei der Microscale auftreten zu offenbaren.

Gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen von Licht in einem separaten Winkel (vertikal und 45 Grad gekippt), zeigten unsere jüngsten bildgebende Verfahren eine völlig neue schwimmen Muster für Mensch und Pferd Sperma. Die Forschung wurde am 16. April in wissenschaftlichen Berichten, einer Zeitschrift der Nature Publishing Group veröffentlicht.

Wir nennen das neu entdeckte schwimmen Muster chiralen Bänder, bezieht sich auf Ebenen Oberflächen, dass drehen Ausrichtung oder Neigung wie sie sich bewegen. Spermien schwimmen in chiralen Band Mustern schwingen ihre Köpfe von links nach rechts und rechts nach links entlang einer flachen Ebene, die selbst oszilliert, was zu einer Flugbahn, die eine Helix oder als ein einfaches Drehen verfolgt. Die chirale Multifunktionsleiste schwimmen Muster werden nicht vertreten oder von bisher bekannten schwimmen Muster für Spermien oder anderen Microswimmers verstanden.

Um diese einzigartige 3D Muster zu verfolgen, wir daran gewöhnt rechnerische holographisches imaging über 33.700 Samenzellen mit einem hohen Frame-Rate (bis zu 140 Frames pro Sekunde) über eine relativ große Probenvolumen von neun Mikroliter folgen – mehr als 10 mal was ein Objektiv-basierte Lichtmikroskop erreichen konnten.

Das chirale Band schwimmen Verhalten ist selten – weniger als 2 Prozent der menschlichen Spermien wir verfolgt zeigen chiral Bänder, obwohl der Prozentsatz erhöht sich auf mehr als 27 Prozent für das Pferd Sperma. Interessanterweise haben wir auch beobachtet, dass die Mehrheit (mehr als 65 Prozent) der chiralen Bänder angezeigt durch menschliche Samenzellen Rechtshänder, während rund 85 Prozent der chiralen Bänder in Pferd Sperma beobachtet Linkshänder Drehungen aufweisen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, unsere Ergebnisse zu veranschaulichen und zu quantifizieren die Parameter eines völlig neuen schwimmen Muster — chiralen Bändern – und könnte helfen, uns besser zu verstehen, das statistische Verhalten von verschiedenen Microswimmers, möglicherweise Aufschluss auf die Biophysik ihrer 3D Bewegung.

Diese Forschung könnte zu einem tieferen Verständnis wie Spermien auf dem Weg zur Düngung oder andere Funktionen bewegen, und wie sie reagieren, wenn verschiedene Reize, einschließlich Chemikalien oder Gifte zu begegnen. [Höhere Spermienzahl sind ein Kinderspiel mit einem Kilt]

Die gleiche Hochdurchsatz-Technik kann auch übersetzt werden, um die Bewegung des anderen mikroskopischen Schwimmer, einschließlich schädliche Bakterien besser zu verstehen.

Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers.