Another EMBL-engineered advance to Brillouin microscopy significantly widens the aperture and provides for quick, more efficient 3-D imaging of light-sensitive samples
An artist's representation of the new Brillouin microscopy approach that allows entire light-sheets to interact with 3D biological samples. The scattered light reveals a unique optical interference signal that can be recorded with a custom-developed spectrometer, tremendously speeding up image acquisition. Credit: Daniela Velasco/EMBL
Summary
Previously, EMBL scientists developed a new microscope based on Brillouin scattering – a phenomenon where light interacts with naturally occurring thermal vibrations within materials, from which their mechanical properties can be deduced. This method has since been used for non-invasive and live-imaging applications in biology, and that advance was selected as one of The Guardian’s 10 biggest science stories of 2022.
In a new paper, the same scientists have now succeeded in substantially further advancing Brillouin microscopy, making it approximately a thousand times faster and more efficient.
Simultaneously, the new microscopy method expands the swath of material it can view – from a 100-pixel line to a ~10,000-pixel full plane, capturing 3D images quickly enough for live-organism observation.
A new paper updates an EMBL technology advance even further. More details about the original technology can be found in our initial reporting here.
EMBL tech developers have made an important leap forward with a novel methodology that adds an important microscopy capability to life scientists’ toolbox. The advance represents a 1,000-fold improvement in speed and throughput in Brillouin microscopy and provides a way to view light-sensitive organisms more efficiently.
“We were on a quest to speed up image acquisition,” said Carlo Bevilacqua, lead author on a paper published about this technological development in Nature Photonics and an optical engineer in EMBL’s Prevedel Team. “Over the years, we have progressed from being able to see just a pixel at a time to a line of 100 pixels, to now a full plane that offers a view of approximately 10,000 pixels.”
The technology is based on a phenomenon first predicted in 1922 by French physicist Léon Brillouin. He showed that when light is shone on a material, it interacts with naturally occurring thermal vibrations within, exchanging energy and thereby slightly shifting the frequency (or colour) of the light. Measuring the spectrum (colours) of the scattered light reveals information about a material’s physical characteristics.
Using Brillouin scattering for microscopy purposes came much later – in the early 2000s – when other technological advancements enabled scientists to measure tiny frequency shifts with high precision and sufficient throughput. This allowed them to compute mechanical properties of living biological samples. However, at that point, scientists were only able to view one pixel at a time. The process was therefore quite time-consuming, and it severely limited how the microscopy method could be used in biology. In 2022, Bevilacqua and others in the Prevedel group were able to first expand the field of view to a line, and now with this latest development, to a full 2D field of view, which also helps speed up 3D imaging.
“Just as the development of light-sheet microscopy here at EMBL marked a revolution in light microscopy because it allowed for faster, high-resolution, and minimally phototoxic imaging of biological samples, so too does this advance in the area of mechanical or Brillouin imaging,” said Robert Prevedel, Group Leader and senior author on the paper. “We hope this new technology – with minimal light intensity – opens one more ‘window’ for life scientists’ exploration.”
Oltre i limiti della microscopia “su misura”
Sintesi
In precedenza, un gruppo di scienziati dell’EMBL (tra cui il ricercatore italiano Carlo Bevilacqua) aveva sviluppato un nuovo microscopio basato sulla diffusione Brillouin, un fenomeno per cui la luce interagisce con le vibrazioni termiche naturali all’interno dei materiali e da cui si possono dedurre le loro proprietà meccaniche. L’applicazione di questo metodo al live-imaging in biologia in maniera non invasiva è stata menzionata tra le 10 storie scientifiche più importanti del 2022 dal The Guardian.
In un nuovo lavoro, gli stessi scienziati sono riusciti a migliorare ulteriormente la microscopia Brillouin, rendendola circa mille volte più veloce ed efficiente.
La nuova tecnica di microscopia ha ampliato la superficie di materiale che può essere visualizzata, passando da una linea di 100 pixel a un piano completo di circa 10.000 pixel, il che consente di acquisire immagini tridimensionali abbastanza rapidamente per l’osservazione di organismi vivi.
Un nuovo studio aggiorna ulteriormente un progresso tecnologico dell’EMBL. Maggiori dettagli sulla tecnologia originale sono forniti nell’articolo precedente disponibile qui.
Gli sviluppatori tecnologici dell’EMBL hanno compiuto un importante passo avanti con una nuova metodologia che aumenta notevolmente la sensibilità delle tecniche di microscopia applicate allo studio delle scienze della vita. Il progresso rappresenta un miglioramento di 1.000 volte nella velocità e nella produttività della microscopia Brillouin e consente di visualizzare gli organismi sensibili alla luce in modo più efficiente.
“Eravamo alla ricerca di un modo per aumentare la velocità di acquisizione delle immagini”, ha detto Carlo Bevilacqua, autore principale dell’articolo pubblicato su Nature Photonics e ingegnere ottico del team Prevedel dell’EMBL di Heidelberg. “Nel corso degli anni, siamo passati dalla possibilità di vedere solo un pixel alla volta a una linea di 100 pixel, fino ad arrivare a un piano completo che offre una visione di circa 10.000 pixel”.
La tecnologia si basa su un fenomeno previsto per la prima volta nel 1922 dal fisico francese Léon Brillouin. Egli dimostrò che quando la luce viene irradiata su un materiale, interagisce con le vibrazioni termiche naturalmente presenti al suo interno, scambiando energia e quindi spostando leggermente la frequenza (o il colore) della luce. La misurazione dello spettro (dei colori) della luce diffusa rivela informazioni sulle caratteristiche fisiche di un materiale.
L’uso della diffusione Brillouin per la microscopia è arrivato molto più tardi, all’inizio degli anni 2000, quando altri progressi tecnologici hanno permesso agli scienziati di misurare minuscoli spostamenti di frequenza con elevata precisione, misurando così le proprietà meccaniche dei campioni biologici viventi. Tuttavia, a quel punto gli scienziati erano in grado di visualizzare solo un pixel alla volta. Il processo richiedeva quindi molto tempo e limitava fortemente l’utilizzo della microscopia in biologia. Nel 2022, Bevilacqua e altri membri del gruppo Prevedel sono stati in grado di espandere il campo visivo prima a una linea e ora, con questo ultimo sviluppo, a un campo visivo completo in 2-D, che contribuisce a velocizzare anche l’imaging in 3-D.
“Così come lo sviluppo della microscopia a foglietto di luce qui all’EMBL ha segnato una rivoluzione nella microscopia ottica – consentendo di ottenere immagini più rapide, ad alta risoluzione e minimamente fototossiche dei campioni biologici – anche questo progresso segna una rivoluzione nell’area dell’imaging meccanico o Brillouin”, ha dichiarato Robert Prevedel, capogruppo e autore senior dell’articolo. “Speriamo che questa nuova tecnologia – con un’intensità luminosa minima – apra un’ulteriore ‘finestra’ per l’esplorazione delle scienze della vita”.
