Apprendimento approfondito

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12575 (2023) Citare questo articolo

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Le pinzette ottiche esercitano una forte forza di intrappolamento sulle cellule, rendendo fondamentale l'analisi del movimento delle cellule intrappolate. La rotazione delle cellule gioca un ruolo significativo nei loro schemi di nuoto, come negli spermatozoi. Abbiamo proposto un metodo rapido basato sull'apprendimento profondo in grado di determinare automaticamente l'orientamento della proiezione di celle di tipo ellissoidale senza progettazione ottica aggiuntiva. Questo metodo è stato utilizzato per analizzare la rotazione planare degli spermatozoi intrappolati utilizzando una pinzetta ottica, dimostrandone la fattibilità nell'estrarre la rotazione della testa della cellula. Inoltre, abbiamo utilizzato questo metodo per studiare l'attività degli spermatozoi esaminando le variazioni nei tassi di rotazione degli spermatozoi in diverse condizioni, tra cui la temperatura e la potenza di uscita del laser. I nostri risultati forniscono prove dell’efficacia di questo metodo e il metodo di analisi della rotazione sviluppato potrebbe avere un potenziale clinico per la valutazione della qualità dello sperma.

Le pinzette ottiche (OT) sono state ampiamente studiate per intrappolare e manipolare microparticelle e microrganismi come perle di polistirene, cellule di lievito, sperma ed Escherichia coli1,2,3,4. Durante il processo riproduttivo, gli spermatozoi devono incontrare l'ovulo attraverso il tratto riproduttivo femminile. In questo processo, gli spermatozoi con bassa motilità verranno esclusi da barriere come il muco cervicale5. Sono state condotte ricerche approfondite sulla dinamica degli spermatozoi intrappolati nelle pinzette ottiche, comprendenti studi che indagano diversi aspetti come la chiralità e la forza di motilità6,7. Questa direzione di ricerca ha un valore potenziale nell'esame della qualità del singolo spermatozoo, che è cruciale per le tecnologie di riproduzione assistita come l'iniezione intracitoplasmatica dello sperma (ICSI)8. Attualmente, il metodo principale per tracciare rapidamente il movimento della testa di uno spermatozoo prevede il tracciamento del suo centroide, che utilizza algoritmi di clustering tradizionali per segmentarlo9,10. Quindi Nascimento et al. hanno utilizzato questo metodo per calcolare la velocità curvilinea (VCL) della testa per caratterizzare l'attività degli spermatozoi11. Tuttavia, nel campo visivo dell'obiettivo ad alta apertura numerica, i metodi di segmentazione tradizionali hanno risultati di segmentazione scadenti a causa del complesso rumore di fondo. Inoltre, per modelli di movimento degli spermatozoi più complessi, come la rotazione, dovrebbe essere progettata la configurazione ottica aggiuntiva e gli algoritmi corrispondenti per determinare il movimento tridimensionale degli spermatozoi di solito vengono eseguiti in modo relativamente lento12.

L'apprendimento profondo è stato ampiamente applicato nel campo della segmentazione di immagini cellulari mediche, in particolare per particolari conteggi di cellule13, segmentazione del fegato e dei tumori al fegato14, segmentazione del cervello e dei tumori al cervello15 ecc. E rispetto ai metodi tradizionali, ha prestazioni di segmentazione e robustezza superiori16, 17.Questo strumento può anche essere combinato con pinzette ottiche e applicato alla localizzazione assiale delle microsfere18, alla previsione della forza ottica delle pinzette ottiche19 e alla misurazione della rigidità della trappola20. In questo studio, proponiamo un metodo altamente efficiente che estrae l'orientamento della testa dello sperma utilizzando la segmentazione basata sull'apprendimento profondo. Lo combiniamo con pinzette ottiche per intrappolare dinamicamente gli spermatozoi e analizzare la motilità rotazionale dei singoli spermatozoi direttamente e simultaneamente. Questo metodo è adatto anche con altre cellule di tipo ellissoidale o batteri come l'Escherichia coli. I nostri esperimenti hanno analizzato la differenza nella velocità angolare di rotazione degli spermatozoi a diverse potenze di uscita del laser e hanno verificato che il nostro metodo ha potenziali applicazioni nella ricerca clinica per la quantificazione della motilità degli spermatozoi e il rilevamento della motilità dei singoli spermatozoi.

Per ottenere le informazioni sulla fase di proiezione dello sperma, abbiamo utilizzato un sistema di pinzette ottiche autoprogettato come mostrato in Fig. 1a. Nella nostra configurazione sperimentale, abbiamo utilizzato un laser a onda continua (Coherent Verdi G, 2W) per generare un raggio laser da 532 nm. Questo raggio laser è stato diretto in un sistema di modellazione del raggio (BSS) per l'espansione del raggio. Il raggio laser polarizzato lineare risultante è stato quindi diretto su uno specchio dicroico, che lo ha riflesso sull'apertura posteriore di un obiettivo per microscopio a immersione in olio (Nikon, immersione in olio 100\(\times\; NA = 1,4; WD = 0,13 mm). Il raggio è modulato attraverso un modulatore di luce spaziale a cristalli liquidi riflettente e pura fase (Holoeye, HED6010-L-VIS) nel sistema di modellatura. La soluzione campione di interesse è stata caricata su un pool di campioni e posizionata sul piano focale posteriore dello specchio ad olio, che è stato controllato utilizzando uno stadio controllato in tensione (Thorlabs; ZFM2030). L'illuminazione della camera del campione è stata fornita da una sorgente luminosa a LED e l'imaging del campione è stato eseguito utilizzando una fotocamera CMOS (Sentech; STC-mbs241U3V; 163 fps).