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Atemberaubende 3D-Sperma Bilder zeigen neue Bewegung

2012-09-29 27
   
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résuméBeispiele für Wendelrührer Spuren von Pferdesperma gemacht. Credit: Nature Scientific Reports Aydogan Ozcan ist ein Experte für Optik und Bildverarbeitung und führt die Bio- und Nano-Photonik - Labor in der Elektrotechnik und Bioengineering Abteilung
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Atemberaubende 3D-Sperma Bilder zeigen neue Bewegung




Beispiele für Wendelrührer Spuren von Pferdesperma gemacht.

Credit: Nature Scientific Reports


Aydogan Ozcan ist ein Experte für Optik und Bildverarbeitung und führt die Bio- und Nano-Photonik - Labor in der Elektrotechnik und Bioengineering Abteilungen an der UCLA. Er trug diesen Artikel zu Livescience Expert Stimmen: Op-Ed & Insights.

In der vergangenen Woche, unser Forschungsteam angekündigt, die Entdeckung einer völlig neuen Bewegungsmuster für eine vertraute mikroskopisch kleinen Schwimmer: Sperma.

In Proben von Menschen und Pferden konnten wir Tausende von Zellen zu verfolgen, auf einmal ein Spermium Schwimmen Muster zu identifizieren, hatten wir noch nie gesehen. Die ungewöhnliche, Coiled-Band Muster war deutlich komplexer als Spermien schwimmen Muster , die wir im vergangenen Jahr beobachtet , alle Ergebnisse , die Auswirkungen auf die Fruchtbarkeit, Gesundheit und unser Verständnis der mikroskopischen Welt haben könnte.

das neue Schwimmmuster zu finden, war eine schwierige Beobachtung zu machen, da die Bewegung bei Längen auftritt, die kleiner als ein Millionstel Meter sind. Wir mussten spezielle Mikroskopietechniken zu entwickeln, die die notwendige hohe Auflösung und schnelle Bildraten erzielen konnten.

Techniken, die wir und andere Forscher entwickelten für die dreidimensionale (3D) Verfolgung von mikroskopisch kleinen Schwimmer - wie Sperma, Protisten oder Bakterien - schon hatte die einzigartigen Schwimmmuster dieser Organismen enthüllt, einschließlich Stirnrad-, stern Spinnen und flache Bewegungen, die innerhalb einer Lüge Ebene. Doch die neuen Muster, die wir chirale Bänder nennen, blieb bis heute unentdeckt. [Siehe Video von Spriraling Sperma in 3D]

Während spezielle Linsen die notwendige Vergrößerung bieten könnte für uns eine solche mikroskaligen, schnelle Ereignisse zu beobachten , linsenbasierte Mikroskope sind in der Regel nicht gut geeignet für in einem großen Volumen verstreut bei einer großen Anzahl von Objekten suchen.

Stattdessen setzen wir auf einem aufstrebenden Reihe von Techniken, die Berechnung als Ersatz für die physische Funktion von Linsen verwendet werden. Diese neuen Ansätze können eine wesentlich größere Anzahl von einzelnen, mikroskopischen Trajektorien in 3D verfolgen.

Um diese Rechenbildgebungstechniken auszuführen, legen wir Proben (wie die Samenzellen) auf einen Silizium-Sensorchip, der gleiche Bildsensor, die Sie auf der Rückseite Ihres Handy haben könnte. Durch einfaches Licht auf die Probe glänzend, schaffen wir Schatten der mikroskaligen Objekten und sie dynamisch aufzeichnen.

Die Schatten bilden Hologramme der Probe, die wir digital ein Bild des Mikroobjekts zu erstellen ohne Verwendung von Linsen verarbeiten kann. Unser Ansatz hat einen wesentlich höheren Durchsatz als andere und besser geeignet ist selten und unkonventionelle 3D Schwimmen Ereignisse zu offenbaren, die auf der Mikroskala auftreten.

Atemberaubende 3D-Sperma Bilder zeigen neue Bewegung




Diese Schemata zeigen den Unterschied zwischen zwei Spermien schwimmen Muster: Schrauben (links) und verdreht (rechts) Bändern.

Credit: Nature Scientific Reports


Durch die gleichzeitig zwei verschiedene Wellenlängen des Lichts unter Verwendung von separaten Winkel glänzend (vertikal und um 45 Grad gekippt), unsere neuesten Imaging-Technik ergab ein völlig neues Schwimmmuster für Mensch und Pferd Sperma. Die Forschung wurde im April veröffentlicht am 16. in wissenschaftlichen Berichten , einer Zeitschrift der Nature Publishing Group.

Wir nennen die neu entdeckte Schwimmmuster chiralen Bänder, die auf ebenen Flächen bezieht, die Ausrichtung oder Neigung drehen, wie sie sich bewegen. Schwimmen Spermium in chiralen Band Muster schwingen ihre Köpfe von links nach rechts und von rechts nach links entlang einer flachen Ebene, die sich selbst schwingt, in einer Bahn führt, die entweder als Wendel oder als einfache Drehung verfolgt. Die chiralen Band Schwimmmuster können nicht mit irgendwelchen bisher bekannten Schwimm Muster für Sperma oder andere microswimmers vertreten oder zu verstehen.

Um diese einzigartige 3D-Muster verfolgen, wir Computational holographische Bildgebung verwendet folgen mehr als 33.700 Samenzellen mit einer hohen Bildrate (bis zu 140 Bilder pro Sekunde) über eine relativ große Probenvolumen von neun Mikroliter - mehr als 10-mal, was für ein Linsen- basierten optischen Mikroskop erreichen könnte.

Das chirale Band Schwimmverhalten ist selten - weniger als 2 Prozent der menschlichen Samenzellen aufgespürt wir chirale Bänder zeigen, obwohl der Prozentsatz erhöht sich auf mehr als 27 Prozent für Pferdesperma. Interessanterweise beobachteten wir auch, dass die Mehrheit (mehr als 65 Prozent) der chiralen Bänder von menschlichen Spermien angezeigt sind rechtshändig, während rund 85 Prozent der chiralen Bänder in Pferdesperma zeigen Linksdrehungen beobachtet.

Zusammengefasst unsere Ergebnisse zeigen, und die Parameter eines völlig neuen Schwimmmuster zu quantifizieren - chiralen Bändern - und könnte uns helfen, besser das statistische Verhalten verschiedener microswimmers verstehen, möglicherweise Licht auf die Biophysik ihrer 3D-Bewegung zu vergießen.

Diese Forschung könnte zu einem tieferen Verständnis davon, wie Spermien bewegen sich auf dem Weg zur Befruchtung führen oder andere Funktionen, und wie sie reagieren, wenn verschiedene Stimuli einschließlich Chemikalien oder Toxine zu stoßen. [Höhere Samenzellenzählimpulse sind ein Kinderspiel mit einem Kilt]

Das gleiche Hochdurchsatz-Technik kann auch besser translatiert werden, um Bewegung der anderen mikroskopischen Schwimmer verstehen, einschließlich schädlicher Bakterien.

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers wieder.

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