Quantenkameras erlauben scharfen Blick auf den Beginn des Lebens
Blick auf beginnendes Leben: Forschende der Universität Adelaide erfassen mit Quantenkameras lebende Embryonen mit minimaler Lichtbelastung.
Bild eines lebenden Mausembryos mit und ohne optimierte Aufnahme durch eine Quantenkamera.
Foto: University of Adelaide
Ein Forschungsteam der Universität Adelaide hat erstmals Embryonen mit Kameras abgebildet, die für Quantenmessungen entwickelt wurden. Diese hochsensiblen Kameras können einzelne Lichtpakete (Photonen) erfassen und ermöglichen es, biologische Prozesse mit minimaler Lichtbelastung zu beobachten. Dies ist besonders wichtig für die Untersuchung lebender Zellen, da zu viel Licht Schäden verursachen kann. Die Forscher kombinierten optische, biologische und physikalische Expertise, um die Bildqualität verschiedener Kameras zu vergleichen und KI-Methoden zur Rauschreduzierung einzusetzen.
Inhaltsverzeichnis
Wie funktionieren Quantenkameras?
Die Entwicklung der Bildgebungstechnologie hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Ein Team der Universität Adelaide erforscht, wie Quantenkameras für die Untersuchung biologischer Prozesse genutzt werden können. Dabei handelt es sich um Kameras, die einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, registrieren können. Diese Technik ermöglicht eine bisher unerreichte Sensitivität und macht es möglich, lebende Zellen mit extrem geringen Lichtmengen zu beleuchten.
Professor Kishan Dholakia, Leiter des „Centre of Light for Life“, erklärt, dass eine minimale Lichtmenge entscheidend ist, um biologische Prozesse in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. „Schäden durch Beleuchtung sind ein echtes Problem, das oft übersehen wird. Die Verwendung der geringstmöglichen Lichtmenge zusammen mit diesen sehr empfindlichen Kameras ist wichtig, um die Biologie in lebenden und sich entwickelnden Zellen zu verstehen.“
In vielen Bereichen der Biowissenschaften ist es notwendig, lebende Proben zu analysieren, ohne sie dabei zu beeinflussen. Herkömmliche Mikroskope benötigen oft starke Lichtquellen, die Zellen stressen oder sogar schädigen können. Quantenkameras hingegen erfassen bereits extrem schwache Signale, wodurch sie sich besonders für die Untersuchung empfindlicher Proben eignen.
Einsatz in der Reproduktionsmedizin
Das Team, zu dem unter anderem Zane Peterkovic, Dr. Avinash Upadhya und Associate Professor Kylie Dunning gehören, testete die neue Technologie an Embryonen im Rahmen einer vorklinischen Studie. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift APL: Photonics veröffentlicht. Ziel der Forschung ist es, Methoden zur Untersuchung von Embryonen weiterzuentwickeln und Fortschritte in der klinischen In-vitro-Fertilisation (IVF) zu ermöglichen.
Laut Professor Dholakia könnte die Technik langfristig dazu beitragen, Embryonen in einer frühen Entwicklungsphase detaillierter zu analysieren und dadurch die Erfolgsrate der IVF zu verbessern. „Diese Proben sind lebende, sich entwickelnde Exemplare, die als Grundlage für Studien dienen, die Fortschritte in der klinischen IVF unterstützen.“
Die Quantenmechanik in der Biologie
Moderne Digitalkameras sind mittlerweile so leistungsfähig, dass selbst grundlegende physikalische Konzepte wie die Quantenmechanik eine Rolle spielen. Hauptautor und Doktorand Zane Peterkovic erklärt: „Viele natürliche Verbindungen in Zellen leuchten auf, wenn sie beleuchtet werden, und das kann uns viel über das, was wir betrachten, verraten, aber leider ist das Signal sehr schwach.“ Durch den Einsatz von Quantenkameras kann dieses schwache Leuchten effizient erfasst werden.
Ein weiterer Aspekt der Forschung ist die Optimierung der Bildqualität. Das Team entwickelte Methoden, um verschiedene Kameras miteinander zu vergleichen und deren Leistungsfähigkeit in der biologischen Bildgebung zu bewerten. Zusätzlich wurden künstliche Intelligenz (KI)-Algorithmen eingesetzt, um Bildrauschen zu reduzieren. Laut Peterkovic geht die Arbeit weit über das reine Einsetzen der Kamera ins Mikroskop hinaus: „Wir haben untersucht, wie KI genutzt werden kann, um Störgeräusche aus den aufgenommenen Bildern zu entfernen, die entstehen, wenn die Kamera Schwierigkeiten hat, genügend Licht einzufangen.“
Zukunftsperspektiven der Quantenbildgebung
Die Forschenden planen, die Technologie weiterzuentwickeln und auf neue Anwendungsfelder auszudehnen. Besonders interessant ist der Einsatz von Quantenzuständen des Lichts, um noch genauere Informationen über biologische Proben zu gewinnen. Die Forschung wird vom Australian Research Council unterstützt und könnte langfristig die biomedizinische Bildgebung revolutionieren.
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