Light sheet fluorescence microscopy is an excellent tool for imaging embryonic development. It allows recording of long time-lapse movies of live embryos in near physiological conditions. We demonstrate its application for imaging zebrafish eye development across wide spatio-temporal scales and present a pipeline for fusion and deconvolution of multiview datasets.
Light sheet fluorescence microscopy (LSFM) is gaining more and more popularity as a method to image embryonic development. The main advantages of LSFM compared to confocal systems are its low phototoxicity, gentle mounting strategies, fast acquisition with high signal to noise ratio and the possibility of imaging samples from various angles (views) for long periods of time. Imaging from multiple views unleashes the full potential of LSFM, but at the same time it can create terabyte-sized datasets. Processing such datasets is the biggest challenge of using LSFM. In this protocol we outline some solutions to this problem. Until recently, LSFM was mostly performed in laboratories that had the expertise to build and operate their own light sheet microscopes. However, in the last three years several commercial implementations of LSFM became available, which are multipurpose and easy to use for any developmental biologist. This article is primarily directed to those researchers, who are not LSFM technology developers, but want to employ LSFM as a tool to answer specific developmental biology questions.
Here, we use imaging of zebrafish eye development as an example to introduce the reader to LSFM technology and we demonstrate applications of LSFM across multiple spatial and temporal scales. This article describes a complete experimental protocol starting with the mounting of zebrafish embryos for LSFM. We then outline the options for imaging using the commercially available light sheet microscope. Importantly, we also explain a pipeline for subsequent registration and fusion of multiview datasets using an open source solution implemented as a Fiji plugin. While this protocol focuses on imaging the developing zebrafish eye and processing data from a particular imaging setup, most of the insights and troubleshooting suggestions presented here are of general use and the protocol can be adapted to a variety of light sheet microscopy experiments.
形態形成は、胚を整形し、一緒に成長および分化と成熟した多細胞生物への受精卵から個体発生を駆動する方法です。動物発生中の形態形成のプロセスは、無傷の生きた検体1-3の撮像によって最良に分析することができます。このような全胚イメージングが駆動し、シグナル伝達分子の傾き、細胞外マトリックス、血管系、神経支配だけでなく、周囲の組織の機械的性質などの開発を規制するすべてのコンポーネントを保存するためです。形態形成が発生するスケールを、埋めるために、高速な細胞内イベントは、時間または数日間にわたる全組織の発達との関連で分の時間スケール上に捕捉されなければなりません。これらのすべての要件を満たすために、直交する平面照明顕微鏡5の現代の実装4を開発しました。もともと、それは選択的平面照明顕微鏡(SPI命名されましたM)4。今包括的な用語ライトシート蛍光顕微鏡(LSFM)は、典型的に使用されます。レーザ走査またはスピニングディスク共焦点顕微鏡6,7未満の光毒性を誘導しながらLSFMは、高時間分解能での撮像を可能にします。今日では、そこに基本的な光シート照明原理の多くの実装は既にあり、それは研究者8月11日に以前にアクセスできない標本やプロセスの多種多様な画像に使用されてきました。
まず、従来の共焦点顕微鏡のアプローチよりLSFMのいくつかの重要な利点を強調したいと思います:
ライブイメージング顕微鏡実験から意味のある結果を得るためには、観察のみ最小限試料に影響を与えることが重要です。しかし、ゼブラフィッシュを含む多くの生物は光毒性エフことなく、高時間分解能を持つ共焦点顕微鏡で画像彼らにそれが困難に、レーザ光照射に対して非常に敏感ですストールや発達の遅れ6,7のようなfects。 LSFMは現在、試料7上の少なくとも破壊的な効果を持つ蛍光イメージング技術です。薄いレーザー光シートは、特定の時点で撮像された試料の一部のみを照射するので、光シート顕微鏡は非常に効率的に光子を使用しています。その結果、低露光量は、健康な標本の長いタイムラプス観察、 例えば 12-17を可能にします。さらに、LSFMの最小侵襲性のおかげで、取得された画像の数はもはや、むしろ処理して保存することができますどのくらいのデータでサンプルが許容できる光の量によって決定されていません。
近くの生理的条件で試料を維持するという点では同じラインに沿って、LSFMは、ライブ胚に非常に適して代替サンプル実装戦略が付属しています。 LSFM技術では、胚は、典型的には、低い割合アガロースの薄いカラム内に埋め込まれています。 mountinアガロースシリンダへGは、回転の完全な自由を可能にするため、試料は完全な角度(LSFMにビューと呼ばれる)のと同時に、複数のビューから観察することができます。マルチビュー撮影とその後の多眼融合が大きな散乱標本のために特に有益であると高い、等方性の解像度でそれらをキャプチャすることができます。他の可能LSFM実装戦略の概要はE.レイノーのラボによって書かれた試料調製の章では、公式の顕微鏡取扱説明書に記載されています。それは、ここで説明するよりも、ゴールはイメージの異なるサンプルにある場合は特に、推奨読み取りです。
LSFMの画像取得は、レーザ走査型共焦点顕微鏡とは対照的に、広視野、カメラベースです。これは、より高い信号対取得された画像のノイズ比(SNR)になると(数十秒あたりのフレーム数百)非常に高速であることができます。 LSFMの高感度をさらに弱い蛍光SAMPのイメージングを可能にします近い将来の内因性レベル18か、で発現する転写因子、CRISPR / Cas9を使用してタグ付けされた内因性タンパク質のようなレ、。高いSNRはまた、成功した下流の画像解析のために重要です。高速は十分に速く、複数のビューから全胚をするだけでなく、迅速な細胞内プロセスをキャプチャするために必要なだけでなく、画像にされています。観察された現象は、別々のビューからこれらの複数のZスタックの取得中に変化しない場合、複数のビューのシームレスな融合は、達成することができます。
LSFMの利点は、典型的には、画像品質を犠牲にして来ることはありません。 LSFMの横方向の解像度は、共焦点顕微鏡の解像度よりも若干悪くなります。 LSFMに使用される検出の目的は、標準的な共焦点セットアップに水またはシリコン液浸対物レンズの1.2〜1.3と比較してより低い開口数(通常1.0以下)を有するためです。さらに、LSFMで広視野検出のために(absenピンホールのCE)は、共焦点顕微鏡に比べ、より焦点の外れた光があります。ピンボケの光の量を光シート厚さによって決定されます。それにもかかわらず、これらの欠点はLSFMより高いSNRによって補償されます。実際には、これは、例えば、スピニングディスク共焦点取得15と比較して同様の品質の画像が得られます。したがって、これは15,19をトレースする細胞系譜用の細胞膜や核、 例えば 、などの機能の信頼性の抽出を可能にします。
LSFMの軸方向の分解能は光シート厚によって、検出目的に加えて、決定されます。 LSFMの軸方向の解像度は、いくつかのケースでは、共焦点顕微鏡の解像度を上回ることができます。光シートは、典型的には、低倍率の対物レンズと撮像された大規模な標本のために発生し、検出目的の軸方向の解像度よりも薄い場合まず、解像度の向上が付属しています。 LSFMがACHできるか第二の方法、より良好な距離分解能をieve、異なるビューからの高XY解像度情報は、1つの画像スタックに結合されたマルチビュー融合です。得られたマージされたスタックは、横方向20,21に解像度の値に近づく等方性解像度を有します。この資料に記載されてお互いの上に複数のビューを登録するための戦略は、試料20,21の周囲のアガロース中に埋め込 まれた受託者のマーカーとして蛍光ポリスチレンビーズを使用することに基づいています。
LSFMの商業化の結果として、この技術は、科学者22の広いコミュニティに利用可能になりました。したがって、このプロトコルを記述するための動機はLSFMで実務経験を欠く発達生物学者にこの技術がアクセスできるようにすることで、これらの科学者たちは、彼らのサンプルを用いて、この技術の使用を開始します。私たちのプロトコルは、概念的には単純顕微鏡トンを構成している商用光シート顕微鏡を使用しています帽子は、操作が簡単です。我々はさらに、特定の質問23-25 に答えることが適当であるかもしれない自作LSFMのセットアップ、とゼブラフィッシュを撮像するための他の最近のプロトコルに言及したいと思います。 LSFMへの他のエントリのオプションは、より広範なコミュニティにシート光顕微鏡をもたらすためにオープンアクセスの原則を使用するオープンプラットフォーム26,27、です。ハードウェアとソフトウェアの両面のドキュメントはhttp://openspim.orgとhttps://sites.google.com/site/openspinmicroscopy/で見つけることができます。
このプロトコルでは、我々はLSFMと発達過程を研究するためのモデル系として硬骨魚類のゼブラフィッシュを使用します。ゼブラフィッシュの眼の形態形成はLSFMの多くの利点を強調した例です。 LSFM既にメダカ28およびゼブラフィッシュ29,30に眼の発達を研究するために過去に使用されてきました。眼の開発の初期段階では、従来の顕微鏡検査のために正しく胚を配向する複雑さ、かさばる卵黄として胚が客観的に面した目で側にうそをつくことはできません。しかし、LSFMアガロースカラムに搭載して、サンプルを再現可能に位置決めすることができます。また、光学カップステージへ眼胞からの移行中に、目は大のzスタックおよびビューの大きなフィールドを取り込む必要とする、成長に伴う主要な形態形成の再編成を受けます。また、これらの課題のためにLSFMは、従来の共焦点イメージングに優れています。眼杯の形成プロセスは、したがって、理解し、一つのビューからの撮像のみによって可視化することが困難であり、三次元です。これは、等方性の解像度を持つマルチビュー撮影が有益になります。眼杯形成後、網膜は、レーザー露光にますます敏感になります。したがって、LSFMに関連する低毒性長期イメージングのための大きな利点です。
ここでは、古いゼブラフィッシュの胚1〜3日のイメージングのために最適化されたプロトコルを提示します眼の開発を中心とした目の幼虫。我々の方法は、高い空間分解能と時間分解能で12-14時間までカバーするタイムラプス動画の撮影が可能になります。この技術は、常に多くの場合、テラバイトの範囲で、大きなデータセットを生成するように重要なのは、我々はまた、LSFMに不可欠なステップであるデータ処理用のパイプラインを示しています。
データ収集のための1.重要なステップとトラブルシューティング
GFPおよびサンプルを表現するRFPのための典型的な画像設定は、シリンドリカルレンズによって形成された光シートは静的で説明した顕微鏡のセットアップ、 表3に記載されています。 2つの照明目的は、空気レンズであり、検出目的は、水浸漬レンズです。 20X / 1.0または40X / 1.0目標とズーム1.0は、230 nmおよび115 nmのピクセルサイズは、それぞれ441 X 441ミクロンまたは221 X 221ミクロンの視野を提供します。 2:国境比1に中心を持つデフォルトの光の板厚を使用することをお勧めします。 20X / 1.0の場合、この厚さは4.5μmとし、40X / 1.0中心部のμmの3.2にするために相当します。イメージング速度は、一次優先されていない場合、チャンネル間の蛍光発光のクロストークを回避するために、マルチサンプルの場合には別個のトラックを使用します。買収の最高速度は、以下によってZステップごとに50ミリ秒に制限されていますZ-ドライバの移動速度。目標は、例えば 、の場合には、最大画像形成速度を達成することである場合、Zのステップごとに撮影した全ての画像の合計が50ミリ秒未満であるように、両面照明を有する2つのトラックは、露光時間を設定しなければなりません。単一の画像をz工程毎に取得された場合に、50ミリ秒よりも短い露光時間を設定することは有益ではありません。
1920 x 1920画像サイズ |
16ビットの |
ピボットは、上のスキャン |
オンライン融合で両面照明 |
10X / 0.2照明目的 |
20X / 1.0 Wプランアポクロマート検出目的 |
トラック1:100mWのレーザーの励起は488nmで、典型的には2%、550 nmのSP発光フィルター |
トラック2:励起561 nmの75 mWのレーザーの一般的に3%、585nmのLP発光フィルター |
100ミリ秒の露光時間まで |
Zスタックの厚さ50〜100μmで |
連続Z駆動モードで1~1.5ミクロンのzのステップサイズ |
28.5°Cでのインキュベーション |
表3:イメージングの設定。
実験後の試料を検査します
試料は、実験の終了時に、まだ健康であることを確認することが重要です。第1の読み出しとして、ステレオスコープの下で試料のハートビートを確認してください。鋭いピンセットでサンプルをアガロースから取り出すことができる、それがイメージングによって影響を受けたかどうかを確認するために、更なる開発をインキュベーターに移動しました。あるいは、抗体染色のために固定することができます。
マウントとドリフト
チャンバsの浸透圧を維持することが不可欠です近くアガロース包埋の浸透圧にolution、アガロースおよびサンプルのその後の不安定性のそうでなければ、膨潤/収縮が発生します。従って、チャンバを充填するために、同じ溶液(メチレンブルーなしE3媒体)を使用し、1%低融点アガロースのアリコートを調製します。それは、そのゲル化特性を失うことができるように加えて、以上2時間70℃の加熱ブロック内のアガロースを放置しないでください。
これは胚の熱ショック応答または死亡につながることができますように、あまりにも熱いアガロースに魚を埋め込まないでください。胚上の温かいアガロースの効果がわからない場合は、尾が曲がらないことと心拍数が遅くなることはありませんことを確認してください。この問題が発生した場合、実験のために別の胚を使用しています。
サンプル短い(2周りセンチ)でアガロースカラムの全体の長さを保持し、プランジャの先端に向けられ、その頭とゼブラフィッシュをマウントします。同様に、アガロースシリンダーはcapillから押し出し進はできるだけ短くする必要があります。これらの措置は、映画全体のサンプルの安定性を確保します。同時に、アガロースカラムには、これは、主要な屈折や反射を引き起こすように、ガラスキャピラリー自体は、光路に到達しないように、十分に長くなければなりません。
試料の初期ドリフトをアガロースシリンダー自体の体積変化によって引き起こされます。プランジャーの摺動するとの理由ではありません。したがって、それは粘土やマニキュアでプランジャーを固定するためには役立ちません。胚は、あまりにもその自然な成長のために、ムービー中の位置を変更することがあります。したがって、視野の中央に関心領域を中心とこれらの動きに対応するために、縁でいくつかの部屋を維持することをお勧めします。
光路中の包埋剤の量の減少
サンプルを正しく配向することは可能な限り最高の画質15を達成するのに役立ちます。遺伝子ラリーは、励起および発光光ができるだけ少ない組織と取り付けメディアを通過する必要があります。最適解は、アガロースフリー実装です。これは、メインルートがphytagelに装着され、側根がその後完全にゲルカラムの外に成長してみましょうされたシロイヌナズナ側根イメージング14、のセットアップ、例えば達成されました。アガロースフリー実装はまた、2日間12にわたってモドキTriboliumカブトムシの完全な胚のイメージングのために開発されました。画質改善は、その場合の主な動機はありませんでした。モドキTribolium胚は、単に十分な長アガロース内部に生存しません。絶対に埋め込みメディアフリー実装は、ゼブラフィッシュにおける長期的なイメージングのために達成されていません。それでも、我々はアガロース固化、ほとんどの胚は、アガロースの深い位置する1つ目でキャピラリー内で斜めに配置され、第二の目は埋め込み柱の表面に近いされているという事実を利用することができます。 T表面に近い彼の目は、優れた画像品質を提供し、したがって、優先的に画像化されるべきです。
アガロース濃度と長期的なイメージング
実装用アガロースの濃度は、試料の安定性と、それに酸素の胚の成長および拡散に対応する可能性の間の妥協です。 1%よりも高いアガロース濃度を用いて、サンプルの安定性には追加の利得はありません。実験を最適化するための出発点として、我々はまた、1%アガロースに装着するにはあまりにもデリケートで24 HPFより若い胚に適しており、0.6%アガロースを、お勧めします。古い胚および幼虫anaesthetizeするために、MS-222濃度は、副作用13なしでは200μg/ mlまで上昇させることができます。
それは胚とコーの成長を制限するため、場合に発生中の胚は、取り付けアガロースは推奨されない、より長い±12時間結像され、エステール変形。この問題は、水13,39と同様の屈折率を有するFEPポリマー管に胚を装着することによって、ゼブラフィッシュのために解決しました。マウス胚は、一方で、中空アガロースシリンダー40または注射器41に取り付けられたアクリルロッドの穴に固定化することができます。チューブの壁はアガロースよりわずかに光を屈折するのでFEPチューブの装着は、しかし、デフォルトの方法として推奨されていません。
光シート整合
良好な画質のためには、すべての実験の前に自動調光シートの位置合わせを行うことが重要です。ズーム設定を変更した場合は特に、目的は、取り出し、または別の液体がチャンバ内で使用されました。
イルミネーション
光シートのピボットスキャンは常にアクティブにする必要があります。大きな散乱標本の場合は、オンラインfに両面照明を適用する必要があります視野全体に均一な照明を達成するためにusion。両面照明はまた、胚のレンズにより、入射光シートの屈折であるアイ・イメージング、特定の問題を減少させます。より小さい、より少ない散乱標本を効率半分撮像時間を短縮し、両面照明に比べわずかに良好な画像品質をもたらすことができる片面照明を使用して画像化することができます。 2つの照明アームのための光路が常に異なっていて、より効率的な一つが選択されることができるからです。さらに、それぞれの側から来る二つの光シートは、融合後軽度のぼけが生じる一つの面で完璧になることはありません。左右からの照明で画像がモーションブラーにつながる可能性があり、順次取得されているので、成長している微小管( 動画2)のような非常に高速な細胞内事象については、両面照明は、適切ではありません。
光退色そして、光毒性
少ない蛍光体光退色はしばしばLSFMの主な利点として挙げられています。我々は目的が全く光退色あってはならないことを主張するだろう。ライブイメージング実験に顕著な光退色がある場合、試料は、許容レーザー露光のその生理的範囲外におそらく既にあります。スピニングディスク顕微鏡におけるゼブラフィッシュの胚を撮影するときは、私たちの経験では、高い光毒性が顕著であっても、蛍光シグナルの漂白剤の前に胚発生を停止することができます。ほとんどまたは全く光退色が観察されるように、したがって、LSFMの撮像設定を調整すべきです。 LSFMを試料に穏やかであっても、その後のデータ分析のための十分な信号対雑音比を達成するのに必要なだけのような多くのレーザパワーと露光時間を使用することが賢明です。
Zスタック、時間間隔とデータサイズ
LSFMによって生成されたファイルは、通常は非常に大きいです;時にはテラバイトの範囲です。画質とデータサイズとの間の妥協をすることがしばしば必要です。これは、特にタイムラプス買収におけるスタックと間隔のz間隔の場合です。 zの間隔を定義するには、Z-スタックツール]タブで最適なボタンは、理想的には、データセットが、後にデコンボリューションされる場合は特に、使用されるべきです。これは、隣接する光学スライス間の50%のオーバーラップを達成するために、間隔を算出します。それでも、いくらか大きいzの間隔は、通常は許容されます。それらは、zスタック、ならびに最終的なファイルサイズを取得するために必要な時間を削減します。最適な時間サンプリングは、目的のプロセスに依存します。全体的な眼の開発のために5〜10分間隔は、通常は許容されます。いくつかの構造が自動的に追跡する場合は、その後の時間点は十分に類似していなければなりません。
蛍光ビーズ
蛍光ビーズは、主に異なるビューを登録するための基準マーカーとして役立ちます互いの上にマルチビューデータセットの。必ず使用前に完全にビーズソリューションをボルテックス。これは、蛍光色素の損失につながることができますようにビーズを加熱しないでください。マルチビューの登録のための最適なビーズ濃度は、実験的に決定されなければなりません。説明プラグインは、各ビューを通じて約1,000検出ビーズに最適です。より大きな(500nm以下千nm)のビーズが小さい(500nm未満)のビーズよりもロバストに検出されました。より大きなビーズは明るく、試料中の構造の誤認検出することなく、セグメントに容易であるためです。より大きなビーズの欠点は、それらが最終的な融合と復元画像に非常に顕著であるということです。それぞれの新しい蛍光マーカーについては、適当なビーズのサイズおよび蛍光発光を最適化しなければなりません。 図5 ムービー3からの試料の例を与えるために、100nmの緑色発光ビーズは膜-GFPチャンネルにあまりにも多くの偽陽性検出を与えたが、千のnM赤色発光ビーズを確実に試料内部の非常に少ない正検出とH2B-RFPチャネルで検出されました。ビーズの検出は、蛍光マーカーを有するチャネルで失敗した場合、唯一のビーズを含有する別個のチャネルを取得することができるが、これは非常に実用的ではありません。サブ解像度サイズのビーズは、デコンボリューション( 図2C-D)のために使用することができる顕微鏡の点広がり関数(PSF)の直接読み出しを与えます。登録と融合が大きなビーズ( 例えば 1000nmで)とのより良い動作する場合、PSFの別の画像は、サブ解像度、 例えば 、100nmのビーズで取得することができます。多色のビーズを使用すると、マルチチャンネル取得の登録時に、完全にそのチャンネルのオーバーレイを検証するために有用です。
後続のマルチビューの登録と融合することなく、単一のビューから撮影する場合、蛍光ビーズの添加は必要ありません。しかし、それらの例にはビーズがイニシア時に役立つことがありますリットル光シート調整は、光シートの品質をチェックするため、一般的に光学収差を明らかにします。このような光学収差が損傷や汚れの目的、アガロースでチャンバーまたは不均一性の汚れた窓のような様々なソースから生じ得ます。ビーズはまた、多視点登録フィジープラグイン20によってドリフト補正のために使用することができます。
マルチビュー
マルチビュー再構成目的のためには、互いに対向されていないビュー3、というように5と、奇数番号を取得した方が良いです。 PSFは異なる方向から撮像されているので、これはデコンボリューションを向上させます。ビューの間で十分な重なりがあること時間経過取得の開始時に確認することも重要です。これが最良の直後に最初の時点でのビューが正常に登録することができることを確認し、 すなわち 、経験的に行われています。マルチビュー取得の目的は、分解能を増加させることである場合大きな散乱標本の画像の、各ビューで試料全体の画像にはお勧めできませんが、信号が劣化試料の中心を停止します。試料の後半から低品質の取得は、マルチビューの再構築に有用な情報を追加しないでしょう。
データ処理のための2.重要なステップとトラブルシューティング
現在、十分に文書化および採用することが比較的容易されている光シート顕微鏡から多視点データを処理するためのいくつかの可能性が存在します。私たちは、フィジー32(ステファンPreibisch未発表で実装されたオープンソースソフトウェアであるマルチビュー再生アプリケーション、使用するリンク部1aとLink1b材料の一覧でを)。このプラグインは、以前のSPIM登録プラグイン20の主要な再設計され、レビューBigDataViewerとそのXMLとSPIM登録ワークフローとHDF5フォーマット33( 図1B、統合Schmied ら 42によるリンク2 、 リンク3 )。この出願はまた、かなりの処理43を高速高性能コンピューティングクラスタのために適合させることができます。このマルチビュー登録申請が活発にさらに開発され、改良し続けます。問題や記載されているソフトウェアの要求を特徴とする場合には、(それぞれのGitHubのページに問題を提出してくださいリンク4マルチビュー復興のためのリンク5 BigDataViewer用)。
2番目のオプションは、顕微鏡と一緒に利用できる商用ソフトウェアを使用することです。このソリューションは、うまく機能し、採用します異なるビューを登録するために蛍光ビーズを使用して同じ原理。しかし、それは速いBigDataViewerと同じようにデータセット全体を可視化するためのオプションを欠いています。ソフトウェアのための追加ライセンスを購入しない限り、また、ソフトウェアは、他のユーザーのための顕微鏡をクラスタに適合し、さらに処理ブロックすることはできません。
また、オープンソースソフトウェアである第三の選択肢は、最近ケラーラボ44から発行され、処理および光シートデータの下流の分析のための包括的なフレームワークを提供しました。このソフトウェアは、従って、試料の周りの蛍光ビーズの存在を必要としない、マルチビュー融合を行うために、サンプル内の情報を使用しています。しかし、同時に、撮像ビュー(目標)の直交方向を想定し、それは、任意の角度44から取得したデータのために使用することができません。
ハードウェア要件
ntent ">処理のために使用されるハードウェアは、画像の取得がその後の分析よりも高速である。先に実際の実験の十分なストレージ容量と使用可能なデータ処理のための明確なパイプラインを、が存在しなければならない。 表4に見ることができる、それが簡単です。未処理のデータが殺到取得する。融合されたビュー、最大強度の突起又は球状の突起45のようにすべての生のイメージではなく、トリミングされたバージョンまたは処理された画像を保存することがしばしば非現実的です。プロセッサ | 二つのインテル®Xeon®プロセッサーE5-2630(6つのコア、2.30 GHzのターボ、15メガバイト、7.2 GT /秒) |
メモリ | 128ギガバイト(16×8ギガバイト)1600 MHzのDDR3 ECC RDIMM |
ハードドライブ | 4×4 TB 3.5インチのシリアルATA(7.200 rpm)でハードドライブ |
HDDコントローラ | PERC H310 SATA / SASコンDell Precision用コントローラ |
HDDの構成 | C1 SATA 3.5インチ、1-4ハードドライブ |
グラフィック | デュアル2ギガバイトのNVIDIAのQuadro 4000(2カードワット/ 2 DP&1 DVI-I各)(2 DP-DVI&2 DVI-VGAアダプタ)(MRGA17H) |
ネットワーク | インテルX520-T2デュアルポート10ギガビットイーサネットネットワークインターフェイスカード |
表4:ハードウェア要件。
データ処理速度
データ処理に必要な時間は、データの寸法にし、使用するハードウェアに依存します。 表1に、我々は4ビューと2チャンネルを1時点から成っ例8.6ギガバイトのマルチビューデータセットを処理する際の重要なステップに必要な時間の概要を説明します。
処理■TEP | 時間 | プロトコルステップ |
HDF5として再度保存 | 6分30秒 | 6.3 |
関心点を検出 | 20秒 | 6.4 |
興味のポイントを使用して登録します | 3秒 | 6.5 |
コンテンツベースのマルチビュー融合 | 4時間 | 7.2 |
マルチビューデコンボリューション(CPU) | 8時間 | 7.3 |
マルチビューデコンボリューション(GPU) | 2時間 | 7.3 |
表1:データ処理時間。
マルチビュー再構成のための入力データ・フォーマット
フィジープラグインマルチビュー復興は .czi、tifファイルとome.tiffフォーマットをサポートすることができます。 .czi形式のデータ構造に、不連続なデータセットではありません前処理なしでサポート。不連続は、( 例えば 、試料のドリフトによる位置の再調整が)記録を再起動する必要がありましたことを意味します。この場合、.cziファイルは、.tifファイルとして保存する必要があり。 tifファイルの場合は、各ビューをファイルし、照明方向は、別々のファイルとして保存する必要があります。
ピクセルサイズのキャリブレーション
顕微鏡オペレーティング・ソフトウェアは、選択された目的に基づいて、X-Yピクセルサイズのキャリブレーションを算出します。しかし、Zの画素サイズはステップサイズで独立して定義されます。間違った目的は、ソフトウェアで指定されている場合は、z比にxyが間違っていると、登録は失敗します。
新規登録
データセットを定義した後で登録数が1になり、関心点の数がViewSetup Explorerで0になります。初期登録は、データセットのキャリブレーションを表します。数oを両方F登録や関心点は、処理中に増加します。
関心点の検出のためのダウンサンプリング
ファイルの読み込みと分割がはるかに高速になりますので、ダウンサンプリングを使用することは、推奨されます。検出パラメータは、このように異なるダウンサンプル設定間検出の設定を転送し、ダウンサンプリングに応じて変更可能ではないであろうことに注意することが重要です。
関心点の検出
彼らはかなり登録を妨げないので、それは、さらにいくつかの偽陽性検出を取得する価格で、各ビューにできるだけ多くの真のビーズのようにセグメント化することをお勧めします。スプリアス検出は、数字にはいくつかの場合には、(関心点の登録を参照してください)登録時に除外されます。しかし、大規模な偽陽性の検出は、アルゴリズムに問題を提起します。それだけでなく、検出のためのパフォーマンスを低下させ、登録、それはビュー間でこれらのビーズを比較するだけでなく、セグメントにはるかに長いイメージがかかりますが、それはまた、登録の精度を低下させるからです。これは、より厳格な検出パラメータを使用することによって対処することができます。さらに、ビーズ(1ビーズ図1Eにすなわち複数の検出)のセグメンテーションを介して登録に有害であると避けるべきです。
関心点の登録
お互いに意見を登録するには、各ビューの各ビーズの位置は、その3、最も近い隣のビーズに関して、その位置によって記述されています。これらの星座は、地元の幾何学的記述子を形成し、ビュー間、各ビーズを比較できるようにしています。 2ビューの間のマッチング記述子を有するビーズは、その後、候補の対応として考えられています。これが唯一の局所記述は、典型的には、各ビーズのためのユニークであるためにランダムに分布ビーズ、のために働くことに注意してください。一つは、このような登録のために、試料中の核として他の構造を使用することができます。しかし、サンプル中の非ランダムに分布している核を検出するために、他の方法は、20,21が適用されます。
候補対応はその後、偽陽性を排除するためにRANSAC 36に対してテストされています。それぞれの対応がお互いに意見を重ねるための変換モデルを提案しています。外れ値が異なるものに各ポイントを希望のに対し、真の対応は、おそらく、1変換モデルに同意するだろう。真の対応関係は、2つの比較ビュー間のアフィン変換モデルを計算するために使用されます。 反復最適化アルゴリズムと大域的最適化は 、すべてのビューがビュー20,21の間の最小変位を目的とした最初のビューに登録されている間に、行われます。
タイムラプス登録
移動のために顕微鏡ステージのアガロースおよび不正確なモータ運動のメンターは、各スタックの位置は、時間をかけて適度に変化します。個々の時点の登録は、この時点の見解の違いを削除するのに対し、タイムラプスも、全体として登録する必要があります。この目的のために、各個々の時点を基準時点に登録されています。
基準時点
多くの時点で時系列に処理される場合、ビーズ強度が脱色による経時分解することができるので、代表的な時点は、通常、時系列の途中から基準として選択されます。この文献では、関心点検出、登録、バウンディングボックスとの融合のためのパラメータを決定することができます。これらのパラメータは、各個々の時点での特定の変換モデルを計算するために全体の時間経過に適用されます。タイムラプス登録時に、他のすべての時間の見所にはレジストされていますこの基準時点に空間的にered。したがって全体の記録のために境界ボックスパラメータは、この特定の時点に依存しています。
マルチチャンネル登録
複数のチャンネルを画像化すると、理想的には同じ蛍光ビーズは、全ての画像形成されたチャネルで表示されるはずです。検出および登録は、アカウントへの変換に異なる光波長の影響をとる、個別に各チャンネルに対して行うことができます。ビーズはすべてのチャンネルには表示されませんまたはビーズは、1チャンネルでも多くの画像を支配していると、他のチャネル(複数可)で暗すぎているため、多くの場合、これは、不可能です。典型的なソリューションは、検出および登録し、取得した変換モデルのための1つのチャンネルに見えるビーズを使用することである( すなわち 、検出、登録、タイムラプス登録後)その後、 フィジー>プラグイン>マルチビューReconstrにより他のチャネルに適用されますuction>バッチ処理]> [ツール]> [重複変換。 他のチャンネルに選択1チャネル の変換を適用するためのドロップダウンメニューで。次のウィンドウでXMLを選択し、[OK]をクリックします。そして、 ソースチャネルとしてビーズが含まれており、 ターゲットチャネルとしてビーズなしのチャネル(複数可)を選択チャンネルを選択します。 重複のための変換は、 すべての変換 、[OK]を押しますを 交換 して使用します 。変換は、他のすべてのチャンネルにコピーされ、XMLで保存されます。ViewSetup Explorerで新しい変換を確認するには、 マルチビュー復興アプリケーションを再起動します。
バウンディングボックス
複数のビューの融合は非常に計算集約的です。しかし、大きな画像は、典型的には、サンプルだけでなく、その周囲のビーズだけでなく、に対応するために取得されます。登録パラメータいったんsは、ビーズから抽出され、それらはもはや画像の一部として有用ではありません。したがって、融合効率を高めるために、試料を含む画像スタックの一部のみを一緒に融合されるべきです。関心(バウンディングボックス)の領域は、サンプルを含むように定義され、可能な限り周囲のアガロースのわずかする必要があります。境界ボックスとボリュームが1634×1746×1632ピクセルに縮小され、メモリ要件が低減されているのに対し、 図2の例では2229×2136×2106ピクセルとボリューム全体の加重平均融 合は、RAMの38196メガバイトを必要とします17729メガバイトまで。
コンテンツベースのマルチビュー融合
多視点データを融合することで課題は、ビューは通常、突然終了し、同じボクセルに対して同じ画像品質を含んでいないということです。ビューの単純平均は、したがって、ブレンディングアーティファクト、不要な画像の劣化につながります。コンテンツベースのマルチビューのfuシオンは考慮に入れ、これらの問題の両方を取ります。まず、一つの画像が終了し、他の一つは開始し、第2に、局所的な画像品質を評価し、融合21で高画質に高い重みを適用する異なるビューを、ブレンド。単一のビューと比較すると、XYにおける信号のわずかな低下( 図2E-H、図5A-D)でのzの分解能の向上があります。
マルチビューデコンボリューション
マルチビューデコンボリューションは、景色の融合を達成するための別のアプローチです。この方法では、異なるビューのPSFは、顕微鏡の光学系によって畳み込まれた画像を回復するために考慮されます。この方法は、大幅に画像ボケを除去し、信号31( 図2C-D、図2I-J、 図5E-G、 映画3)の解像度とコントラストを増加させることによって、画像品質を向上させることができます。
ve_content ">デコンボリューションは、このように処理のためにGPUを使用すると、このプロセスの速度が向上し、( 表1を参照)非常に計算集約的である。また、ダウンサンプリングされたデータにデコンボリューションを実行する必要があります。ダウンサンプルに、 フィジー>マルチビューの復興を使用>バッチ処理]> [ツール]> [変換を適用します 。これは、.xmlのファイルに保存されますビューに新しい変換モデルを適用します。BigDataViewerとBigDataServerためのHDF5ファイル形式
BigDataViewer 33は、テラバイトサイズのデータを簡単に可視化することができます。どのようにBigDataViewerを制御するために、表2にまとめられている。プログラムの基本的な動作のスクリーンキャストは、元の出版物33におけるサプリメントとしても利用可能です。 BigDataViewerは、メタデータを含む.xmlファイル、および画像データを含むHDF5ファイルを中心とします。画像データがPRESあります3Dブロック内に複数の分解能レベルでHDF5でENT。フル解像度がロードされる前に、複数の分解能レベルは、低解像度で高速にデータを視覚化することを可能にします。必要なときに、個々のブロックは専用メモリにロードされます。このように、HDF5の画像フォーマットはBigDataViewer 33を介してデータを直接かつ高速な可視化を可能にします。ファイルのロードをより効率的に行われるので、それはまた、処理が高速化されます。それは厳密に処理するために必要ではないので、我々は、この形式にデータセットを再保存をお勧めします。データフォーマットのさらなる説明については、を参照してくださいリンク3 。また、データセットは、共同研究者やBigDataServer 33(使用して、パブリックと共有することができますリンク6 )。
キー | <td> 効果|
F1 | BigDataViewerとその基本的な操作の簡単な説明とヘルプを示しています |
<>またはマウスホイール | Zの動き |
上下矢印 | ズームイン、ズームアウト |
右クリックしてドラッグ | ビューアでサンプルを動かします |
左クリックしてドラッグ | カーソルの周りにサンプルを回転させます |
ビューアまたはTab、左または右の矢印の下にあるスライダー | 時間軸上の移動 |
さらに、シフトを押します | 任意の軸に沿ってより速く移動や回転 |
xと、左と右矢印 | x軸の周りを回転します |
yおよびその後左と右矢印 | y軸を中心に回転します |
z及びその後左と右矢印 | z軸の周りを回転します |
シフトであり、x | x軸に沿ってビューを配向 |
シフトとy | y軸に沿ってビューを配向 |
シフトおよびz | z軸に沿ってビューを配向 |
私 | 異なる補間モード間の切り替え( すなわち最近傍とトリリニア) |
Sまたは[設定]> [明るさとコントラスト | チャンネル、明るさとコントラストの色を変更します |
F6または[設定]> [可視性とグループ化 | 異なるグループをオーバーレイし、数字キーを介してグループを呼び出すにグループ化できます、表示されたグループを変更します |
F10または[ツール]> [記録映画 | 現在表示されているスライスの時系列を取得します。 |
表2:ビッグデータビューア。
LSFMの説明実装の3制限事項
低いスループット
典型的なLSFM実験では、実験ごとに1つのサンプルが撮像されます。それでも、我々の経験では、多くの有用な情報は、単一のサンプルから抽出することができます。複数の胚のハイスループットイメージングは、最近のサンプルの位置と回転の自由を犠牲にしているが、典型的には、ホーム建てLSFMのセットアップ46-48で達成されています。
深部組織への不十分な浸透
ゼブラフィッシュ胚は、半透明であっても、散乱と吸収による組織内深部を撮像すると、得られる画像の品質がすぐに悪化しています。部分的にこれはサンプルによって放出される蛍光の散乱や吸収の影響で、現在の設定で補正することはできません。不均一な画質のもう1つの原因は、不規則な照明です。 T彼光シートは、左右どちらかの側から入射し、ストライプのアーティファクトとぼかしになり、そのパスそれを屈折、内の任意のオブジェクトです。両面照明や多眼融合は、最終的な画像にアーチファクトを減少させることができます。最後に、画質が原因で、エッジに向かって厚くなってきている光シート、自然の形状に視野のマージンに向かってわずかに悪化する傾向があります。
限られた化学操作
薬剤または阻害剤の使用は、ゼブラフィッシュ研究で広まっています。薬のこの顕微鏡の使用においてによる試料室と同じ室を共有する機器の他のユーザーの考慮事項の大ボリュームに、拘束されています。薬物実験専用の余分室を使用することで、この問題を解決することができます。ガラスビーズで部分的にチャンバーを充填することは必要とされる液体の体積を減らすことができます。
いいえ写真編集ません
カレンTLYこの顕微鏡において光変換、またはレーザアブレーションのような局所的な光学的操作の可能性はありません。それにもかかわらず、ホーム内蔵セットアップは、特定の用途に使用することができます。
4.意義と今後のアプリケーション
LSFMは、ライブ胚の大ボリュームの高速撮像の日付に利用可能な最良の方法です。共焦点顕微鏡上で考えた実験のほとんどは、上述の利点を有する光シート顕微鏡で行うことができます。眼の発生のイメージングの場合には、LSFMの速度が重要なパラメータではありません。その代わりに、サンプルの位置が低い光毒性と柔軟性が決定的な利点です。
LSFMデータは、良好なデコンボリューションの結果を達成するのに役立ち、また、自動画像解析及びオブジェクト追跡のために有益である高いSNRを有します。結論として、LSFMは、胚発生とOveraの上で定量化可能なデータを生成するための素晴らしいツールですLL細胞およびその後のモデリングと、問題のプロセスの物理的な説明については、組織の特徴。
The authors have nothing to disclose.
We want to thank Tobias Pietzsch for providing his powerful open source software BigDataViewer. We thank the Light Microscopy Facility of the Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG), namely Jan Peychl, Sebastian Bundschuh and Davide Accardi for technical assistance, perfect maintenance of the microscopes used in the study and for comments on the manuscript and H. Moon (MPI-CBG Scientific Computing Facility) for the BigDataServer. We thank Julia Eichhorn for assembling the Movie 1. The Norden lab members and Svea Grieb provided many helpful comments on the manuscript. Jaroslav Icha, Christopher Schmied and Jaydeep Sidhaye are members of the International Max Planck Research School for Cell, Developmental and Systems Biology and doctoral students at TU Dresden. Pavel Tomancak is supported by the ERC Starting Grant: Quantitative Analysis of the Hourglass Model of Evolution of Development and Human Frontier Science Program Young Investigator grant RGY0093/2012. Caren Norden is supported by the Human Frontier Science Program (CDA-00007/2011) and the German Research Foundation (DFG) [SFB 655, A25].
Lightsheet Z.1 microscope | Carl Zeiss Microscopy | ||
Low melting point agarose | Roth | 6351.1 | |
Low melting point agarose | Sigma | A4018 or A9414 | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (MESAB/MS-222/Tricaine) | Sigma | E10521 | |
N-Phenylthiourea (PTU) | Sigma | P7629 | |
500 nm red fluorescent beads F-Y 050 | Millipore (Estapor) | 80380495 | |
20 μl (1mm inner diameter, marked black) capilllaries | Brand | 701904 | sold as spare part for transferpettor |
Teflon tip plungers for 20 μl capillaries | Brand | 701932 | sold as spare part for transferpettor |
Circular glass coverslips diameter 18 mm, selected thickness 0.17 mm | Thermo scientific (Menzel-Glaser) | ||
O-rings for chamber windows 17×1.5 mm | Carl Zeiss Microscopy | ||
Tweezers, style 55 | Dumont | 0209-55-PO | |
50 ml Luer-Lock syringes | Becton Dickinson | 300865 | |
150 cm extension cable for infusion compatible with Luer-Lock syringes | Becton Dickinson | 397400 | |
Links | |||
Link 1 Multiview reconstruction application | https://github.com/bigdataviewer/SPIM_Registration http://fiji.sc/Multiview-Reconstruction | ||
Link 2 BigDataViewer | https://github.com/bigdataviewer | ||
Link 3 BigDataViewer | http://fiji.sc/BigDataViewer | ||
Link 4 Multiview reconstruction application-issues | https://github.com/bigdataviewer/SPIM_Registration/issues | ||
Link 5 BigDataViewer-issues | https://github.com/bigdataviewer/bigdataviewer_fiji/issues | ||
Link 6 BigDataServer | http://fiji.sc/BigDataServer. |