Анализ генетических аберраций в глиомах высокой степени злокачественности у детей | Зайцева

1. Louis D.N., Perry A., Reifenberger G. et al. The 2016 World Health Organization classification of tumors of the Central Nervous System: a summary. Acta Neuropathol 2016;131:803–20. DOI: 10.2176/nmc.ra.2017-0010.

2. Johnson A., Severson E., Gay L. et al. Comprehensive genomic profiling of 282 pediatric low- and high-grade gliomas reveals genomic drivers, tumor mutational burden, and hypermutation signatures. Oncologist 2017;22(12):1478–90. DOI: 10.1634/theoncologist.2017-0242.

3. Зайцева М.А., Ясько Л.А., Папуша Л.И., Друй А.Е. Молекулярно-генетические характеристики глиом у детей. Вопросы гематологии/онкологии и иммунопатологии в педиатрии 2019;18(4):109–17.

4. Gambella A., Senetta R., Collemi G. et al. NTRK fusions in central nervous system tumors: a rare, but worthy target. Int J Mol Sci 2020;21(3):753. DOI: 10.3390/ijms21030753.

5. Toll S.A., Tran H.N., Cotter J. et al. Sustained response of three pediatric BRAFV600E mutated high-grade gliomas to combined BRAF and MEK inhibitor therapy. Oncotarget 2019;10(4):551–7. DOI: 10.18632/oncotarget.26560.

6. Catalogue of somatic mutations in cancer. Available at: https://cancer.sanger.ac.uk/cosmic.

7. Leske H., Rushing E., Budka H. et al. K27/G34 versus K28/G35 in histone h4-mutant gliomas: a note of caution. Acta Neuropathologica 2018;136(1):175–6. DOI: 10.1007/s00401-018-1867-2.

8. Grigore F.N., Day C., Yang H. et al. Histone h4.3 mutations drive tumorigenesis through chromosomal instability. Neurooncology 2019;21(Suppl_2):ii84. DOI: 10.1093/neuonc/noz036.086.

9. Maeda S., Ohka F., Okuno Y. et al. h4F3A mutant allele specific imbalance in an aggressive subtype of diffuse midline glioma, h4 K27M-mutant. Acta Neuropathol Commun 2020;8(1):8. DOI:10.1186/s40478-020-0882-4.

10. Solomon D.A., Wood M.D., Tihan T. et al. Diffuse midline gliomas with histone h4 K27M mutation: a series of 47 cases assessing the spectrum of morphologic variation and associated genetic alterations. Brain Pathol 2016;26(5):569–80. DOI: 10.1111/bpa.12336.

11. Phillips J.J., Gong H., Chen K. et al. The genetic landscape of anaplastic pleomorphic xanthoastrocytoma. Brain Pathol 2019;29(1):85–96. DOI: 10.1111/bpa.12639.

12. Vaubel R.A., Caron A.A., Yamada S. et al. Recurrent copy number alterations in lowgrade and anaplastic pleomorphic xanthoastrocytoma with and without BRAF V600E mutation. Brain Pathol 2018;28(2): 172–82. DOI: 10.1111/bpa.12495.

13. Touat M., Younan N., Euskirchen P. et al. Successful targeting of an ATG7-RAF1 gene fusion in anaplastic pleomorphic xanthoastrocytoma with leptomeningeal dissemination. JCO Precis Oncol 2019;3:1–7. DOI: 10.1200/PO.18.00298.

14. Frazão L., do Carmo Martins M., Nunes V.M. et al. BRAF V600E mutation and 9p21: CDKN2A/B and MTAP co- deletions – markers in the clinical stratification of pediatric gliomas. BMC Cancer 2018;18(1):1259. DOI: 10.1186/s12885-018-5120-0.

15. Rajbhandari R., McFarland B.C., Patel A. et al. Loss of tumor suppressive microRNA- 31 enhances TRADD/NF-κB signaling in glioblastoma. Oncotarget 2015;6(19):17805–16. DOI: 10.18632/oncotarget.4596.

16. Pollack I.F., Hamilton R.L., Sobol R.W. et al. IDh2 mutations are common in malignant gliomas arising in adolescents: a report from the Children’s Oncology Group. Child’s Nervous System 2011;27(1):87–94. DOI: 10.1007/s00381-010-1264-1.

17. Buccoliero A.M., Castiglione F., Degl’Innocenti D.R. et al. IDh2 mutation in pediatric gliomas: has it a diagnostic and prognostic value? Fetal Pediatr Pathol 2012;31:278–82. DOI: 10.3109/15513815.2012.659383.

18. Antonelli M., Buttarelli F.R., Arcella A. et al. Prognostic significance of histological grading, p53 status, YKL-40 expression, and IDh2 mutations in pediatric high-grade gliomas. J Neurooncol 2010;99:209–15. DOI: 10.1007/s11060-010-0129-5.

19. Guerreiro Stucklin A.S., Ryall S., Fukuoka K. et al. Alterations in ALK/ ROS1/NTRK/MET drive a group of infantile hemispheric gliomas. Nat Commun 2019;10(1):4343. DOI: 10.1038/s41467-019-12187-5.

20. Desai A.V., Robinson G.W., Basu E.M. et al. Updated entrectinib data in children and adolescents with recurrent or refractory solid tumors, including primary CNS tumors. J Clin Oncol

21. ;38(15_suppl):107. DOI: 10.1200/JCO.2020.38.15_suppl.107.

Анализ всех специфических аберраций на парафиновых срезах (гистоFISH, колич.) Analysis of all specific aberrations on paraffin slides (FISH Histology, quantitative)

Метод определения FISH-исследование интерфазных ядер опухолевого материала

Исследуемый материал опухолевая ткань, прошедшая предварительную гистологическую обработку и заключенная в парафин.

Лимфопролиферативные заболевания (ЛПЗ) – гетерогенная группа заболеваний, морфологическим субстратом которых являются клетки лимфоидной природы. По характеристике клеточного состава ЛПЗ можно подразделить на В-клеточные, Т-клеточные и лимфому Ходжкина (лимфогранулематоз). В зависимости от локализации первичного очага ЛПЗ делятся на лейкозы, для которых характерно первичное поражение костного мозга, и лимфомы, имеющие внекостномозговую локализацию (лимфатические узлы, селезенка, кожа, лимфоидная ткань слизистой желудка и др.). В основе развития патологического процесса лежат генетические аномалии, приводящие к неконтролируемой пролиферации пораженных клеток лимфоидной природы. Некоторые типы лимфом сопровождаются высокоспецифичными хромосомными аберрациями, их выявление помогает правильно диагностировать вариант лимфомы. Всемирной организацией здравоохранения отмечено, что именно хромосомные аберрации являются одними из самых надежных критериев классификации и диагностики лимфоидных опухолей.

 

Основные хромосомные аберрации, характерные для лимфопролиферативных заболеваний.

Гистологический тип лимфомы	Хромосомные аномалии	Локусы генов, вовлекаемые в патологический процесс
Лимфома из клеток мантийной зоны	t(11;14)(q13;q32) t(11;22)(q13;q11)	Bcl-1(CCND1)/11q13, IGH/14q32, IGL/22q11
Лимфома Беркитта	t(8;14)(q24;q32) t(2;8)(p12;q24) t(8;22)(q24;q11)	c-MYC/8q24, IGH/14q32, IGK/2p12, IGL/22q11
Фолликулярная лимфома	t(14;18)(q32;q21) t(2;18)(p12;q21) t(18;22)(q21;q11)	Bcl-2/18q21, IGH/14q32, IGL/22q11
Диффузная В-крупноклеточная лимфома	t(3;14)(q27;q32) и вариантные транслокации с вовлечением локуса гена BCL6/3q27	Bcl-6/3q27, IGH/14q32, IGL/22q11, вовлечение локусов других генов
Экстранодальная лимфома из клеток маргинальной зоны MALT-типа	t(11;18)(q21;q21)	API-2/11q21, MALT/18q21
Анаплазированная крупноклеточная лимфома	t(2;5)(p23;q35) и вариантные транслокации с вовлечением локусов генов ALK/2р23 и NPM/5q35	ALK/2p23, NPM/5q35

Одним из молекулярных методов диагностики лимфом, позволяющим прицельно исследовать очаг поражения, является флуоресцентная in situ гибридизация (Fluorescence In Situ Hibridization, FISH), выполненная на гистологических срезах с парафинового блока опухоли (гистоFISH). Метод дает возможность обнаружить патологию и точную локализацию определенной, заранее известной последовательности ДНК, соответствующей известному участку хромосомы. Оценка результатов FISH-анализа выполняется с использованием флуоресцентного микроскопа. Интерпретация результатов FISH-исследований производится в соответствии с Международной номенклатурой (International System for Cytogenetic Nomenclature, ISCN, 2015). 

Методы генетической диагностики онкогематологических заболеваний

Литература

1. Swerdlow S.H., Campo Е., Harris N., Jaffe E.S. et al. WHO of tumors. Tumors of haematopoietic and lymphoid tissues. Patology and Genetics. Lyon: IARC Press. 2008. 
2. Волкова М.А. Клиническая онкогематология: руководство для врачей. — М.: Изд. «Медицина». 2007:555. 
3. Карселадзе А.И. Архив патологии. Реакция флуоресцентной in situ гибридизации (FISH-реакция) в диагностике онкологических заболеваний. — М.: Изд. «Медицина». 2009:40.  
4. Клинические рекомендации по диагностике и лечению лимфопролиферативных заболеваний. Ассоциация онкологов России. — М. 2014. 

Аберрации оптических систем — Физическая энциклопедия

Определение

АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(от лат. aberratio — уклонение, удаление) — искажения изображений, даваемых реальными оптическими системами, заключающиеся в том, что оптические изображения неточно соответствуют предмету, оказываются размыты (монохроматическая геометрическая аберрация оптической системы) или окрашены (хроматическая аберрация оптической системы). В большинстве случаев аберрации обоих типов проявляются одновременно.

В приосевой, так называемой параксиальной, области (см. Параксиальный пучок лучей) оптическая система близка к идеальной, т. е. точка изображается точкой, прямая линия — прямой и плоскость — плоскостью. Но при конечной ширине пучков и конечном удалении точки-источника от оптической оси нарушаются правила параксиальной оптики: лучи, испускаемые точкой предмета, пересекаются не в одной точке плоскости изображений, а образуют кружок рассеяния, т. е. изображение искажается — возникают аберрации.

Геометрические аберрации

Геометрические аберрации оптических систем характеризуют несовершенство оптических систем в монохроматичном свете. Происхождение аберраций оптических систем можно понять, рассмотрев прохождение лучей через центрированную оптическую систему L (рис. 1). — плоскость предмета, — плоскость изображений, и — соответственно плоскости входного и выходного зрачков.

В идеальной оптической системе все лучи, испускаемые какой-либо точкой предмета, находящейся в меридиональной плоскости на расстоянии от оси, пройдя через систему, собрались бы снова в одну точку . В реальной оптической системе эти лучи пересекают плоскость изображения в разных точках. При этом координаты точки В пересечения луча с плоскостью изображения зависят от направления луча и определяются координатами точки А пересечения с плоскостью входного зрачка. Отрезок характеризует несовершенство изображения, даваемого данной оптической системой. Проекции этого отрезка на оси координат равны и и характеризуют поперечную аберрацию. В заданной оптической системе и являются функциями координат падающего луча : и . Считая координаты малыми, можно разложить эти функции в ряды по , и .

Линейные члены этих разложений соответствуют параксиальной оптике, следовательно коэффициенты при них должны быть равными нулю; чётные степени не войдут в разложение ввиду симметричности оптической системы; таким образом остаются нечётные степени, начиная с третьей; аберрации 5-го порядка (и выше) обычно не рассматривают, поэтому первичные аберрации оптической системы называют аберрациями 3-го порядка. После упрощений получаются следующие формулы.

(*)

Коэффициенты зависят от характеристик оптической системы (радиусов кривизны, расстояний между оптическими поверхностями, показателей преломления). Обычно классификацию аберраций оптических систем проводят, рассматривая каждое слагаемое в отдельности, полагая другие коэффициенты равными нулю. При этом для наглядности представления об аберрации рассматривают семейство лучей, исходящих из точки-объекта и пересекающих плоскость входного зрачка по окружности радиуса р с центром на оси. Ей соответствует определённая кривая в плоскости изображений, а семейству концентрических окружностей в плоскости входного зрачка радиусов и так далее соответствует семейство кривых в плоскости изображений. По расположению этих кривых можно судить о распределении освещённости в пятне рассеяния, вызываемом аберрацией.

Сферическая аберрация соответствует случаю, когда , а все другие коэффициенты равны нулю. Из выражения (*) следует, что эта аберрация не зависит от положения точки С в плоскости объекта, а зависит только от координаты точки А в плоскости входного зрачка, а именно, пропорциональна . Распределение освещённости в пятне рассеяния таково, что в центре получается острый максимум при быстром уменьшении освещённости к краю пятна. Сферическая аберрация — единственная геометрическая аберрация, остающаяся и в том случае, если точка-объект находится на главной оптической оси системы.

Кома определяется выражениями при коэффициенте В. Равномерно нанесённым на входном зрачке окружностям соответствуют в плоскости изображения семейства окружностей (рис. 2) с радиусами, увеличивающимися как , центры к-рых удаляются от параксиального изображения также пропорционально Огибающей этих окружностей (каустикой) являются две прямые, составляющие угол 60°. Изображение точки при наличии комы имеет вид несимметричного пятна, освещённость которого максимальна у вершины фигуры рассеяния и вблизи каустики. Кома отсутствует на оси центрированных оптических систем.

Астигматизм и кривизна поля соответствуют случаю, когда не равны нулю коэффициенты С и D. Из выражения (*) следует, что эти аберрации пропорциональны квадрату удаления точки-объекта от оси и первой степени радиуса отверстия. Астигматизм обусловлен неодинаковой кривизной оптической поверхности в разных плоскостях сечения и проявляется в том, что волновой фронт деформируется при прохождении оптической системы, и фокус светового пучка в разных сечениях оказывается в разных точках. Фигура рассеяния представляет собой семейство эллипсов с равномерным распределением освещённости. Существуют две плоскости — меридиональная и перпендикулярная ей сагиттальная, в которых эллипсы превращаются в прямые отрезки. Центры кривизны в обоих сечениях называются фокусами, а расстояние между ними является мерой астигматизма.

Пучок параллельных лучей, падающих на оптическую систему под углом (рис. 3), в меридиональном сечении имеет фокус в точке m, а в сагиттальном — в точке s. С изменением угла положения фокусов m и s меняются, причём геометрические места этих точек представляют собой поверхность вращения MOM и SOS вокруг главной оси системы. На поверхности КОК, находящейся на равных расстояниях от MOM и SOS , искажение наименьшее, поэтому поверхность КОК называется поверхностью наилучшей фокусировки. Отклонение этой поверхности от плоскости представляет собой аберрацию, называемую кривизной поля. В оптической системе может отсутствовать астигматизм (например, если MOM и SOS совпадают), но кривизна поля остаётся: изображение будет резким на поверхности КОК, а в фокальной плоскости FF изображение точки будет иметь вид кружка.

Дисторсия проявляется в случае, если ; как видно из формул (*), она может быть в меридиональной плоскости: . Дисторсия не зависит от координат точки пересечения луча с плоскостью входного зрачка (поэтому каждая точка изображается точкой), но зависит от расстояния точки до оптической оси , поэтому изображение искажается, нарушается закон подобия. Например, изображение квадрата имеет вид подушкообразной и бочкообразной фигур (рис. 4) соответственно в случае Е>0 и Е<0.

Труднее всего устранить сферическую аберрацию и кому. Уменьшая диафрагму, можно было бы практически полностью устранить обе эти аберрации, однако уменьшение диафрагмы уменьшает яркость изображения и увеличивает дифракционные ошибки.

Подбором линз устраняют дисторсию, астигматизм и кривизну поля изображения.

Хроматические аберрации

Хроматические аберрации. Излучение обычных источников света обладает сложным спектральным составом, что приводит к возникновению хроматических аберраций. В отличие от геометрических, хроматические аберрации возникают и в параксиальной области. Дисперсия света порождает два вида хроматических аберраций: хроматизм положения фокусов и хроматизм увеличения. Первая характеризуется смещением плоскости изображения для разных длин волн, вторая — изменением поперечного увеличения. Подробнее см. Хроматическая аберрация.

Литература

Слюсарев Г. Г., Методы расчета оптических систем, 2 изд., Л., 1969;
Сивухин Д. В., Общий курс физики, [т. 4] — Оптика, 2 изд., М., 1985;
Теория оптических систем, 2 изд., М., 1981.

Г. Г. Слюсарев.

      Предметный указатель      >>   

Aberration — Официальная вики по игре ARK: Survival Evolved

Данной статье требуется перевод. Вы можете помочь, расширив эту статью с помощью перевода на русский язык.

Данной статье требуется перевод. Вы можете помочь, расширив данную статью с помощью перевода на русский язык.

Эта статья посвящена существу, предмету или особенности, эксклюзивному в DLC: Aberration

Эта статья о существе, элементе или функции, доступной исключительно в версии Steam, Xbox One, PS4. This creature, item, or feature is not yet released in the version on Nintendo Switch.

Aberration — это платное DLC для игры ARK: Survival Evolved.

Аберрация вышла 12 декабря 2017 года на PC, Xbox One и PS4 по начальной цене $19.99 USD.^[1] Также она стала доступна всем, кто купил Сезонный Абонемент(Season Pass).

Любые прирученные существа и полученные предметы могут быть доставлены на стандартные карты и использованы людьми с расширением и без него. Элементы из DLC также можно призвать консольными командами, даже если у вас нет этого DLC.

Аберрация переносит выживших в поврежденный ARK: его атмосфера просочилась повсюду, и поверхность стала суровой практически безжизненной пустыней с огромный количеством радиации, но подземный мир преобразился, приобретя множество красочных и разнообразных биомов. Из за ошибки в обслуживании этого ARK опасности, природа и существа сильно изменились, создав новый мир для исследования и освоения.

Интенсивное излучение аберрации привело к невероятным генетическим мутациям, в результате которых появились новые существа с удивительными способностями! Карабкайтесь по стенам или плавно парите на хищном хамелеоне ‘Скальном Дрейке’, держите темноту подальше с помощью дружелюбного ‘Лампадога’, хватайте и бросайте нескольких существ благодаря масивному ‘Каркиносу’ или — если вы осмелитесь его заполучить — управляйте мерзким ‘Жнецом’, но знайте, вам придется пережить интересные роды!

В мире Аберрации выжившим будут доступны новые инструменты, которые откроют множество возможностей. Путешествуйте по ARK с помощью Альпинистской кирки, Снаряжения для планирования и Крюка зиплайна. Узнавайте больше благодаря новым Энграммам, защитите себя Защитным Костюмом, Светомётом Аккумулятором, Святящейся палочкой, и многим другим. Развивайтесь, добывайте новые ресурсы Корзиной для рыбы и Газосборником, укрепите свой пещерный дом Платформой для скал, и многое другое!

Землетрясения, радиационное воздействие, утечки газа и камеры Элементов являются одними из множества опасностей, с которыми выжившим предстоит научиться бороться в разнообразных биомах Аберрации, как над землей, так и под поверхностью. Но среди самых больших проблем на этом разрушенном Ковчеге есть иерархия неумолимых Безымянных, требующая постоянной бдительности и энергии заряда для защиты от них!

И в самых глубоких глубинах Аберрации ждёт их жуткий — хотя и знакомый — хозяин… Станете ли вы достаточно сильным выжившим, чтобы встретиться с ним лицом к лицу?

Уникальные особенности окружающего мира[править | править код]

Обзор

Карта является подземельем поврежденного ARK. Большинство функций связано с подземными, где существуют новые ресурсы, такие как древесина грибов и драгоценные камни. Вместо того, чтобы быть островом, большая часть карты заключена в подземные биомы, что делает особенно целесообразным носить с собой Компас или GPS, чтобы не заблудиться в темных поворотах. Радиация просачивается в определенные места карты, заставляя незащищенных игроков, не носящих защитную экипировку, со временем получать урон. Другие новые странные эффекты также являются особенностью.

Есть три основные области, исключая поверхность: зеленая область является плодородной, синяя область является биолюминесценцией, и красная область является элементом. Плодородные земли не оказывают никакого негативного воздействия, Биолюминесценция холодна, а элемент содержит радиацию, причиняя как выжившим, так и прирученным динозаврам лучевую болезнь с течением времени без защиты.

Нефть добыть труднее, поскольку, кроме Трилобита, Навозного Жука и редкого Искателя дропы, единственный естественный источник нефти находится на поверхности или в гораздо более труднодоступной области За Позвоночником.

Как и другие карты, Маяки Как и другие карты, маяки появляются только на поверхности, но в отличие от других карт, ящики все еще можно найти под поверхностью, вне пещер артефактов, в виде Ящика с Припасами.

Новые Ресурсы

Новым и довольно жизненно важным ресурсом в игре являются самоцветы, который имеет три типа цвета, найденных в областях различной сложности. Зелёные Самоцветы встречаются почти сразу же после нереста в портале и встречаются далее в плодородной области. Синие Самоцветы находятся в пределах люминесцентного биома. Красные Самоцветы находятся в более сложных глубинах Аберрации, В Позвоночнике, потерянных дорогах и областях падения элементов.

Меньший жизненный ресурс Грибная Древесина собирается как обычное Дерево, но из более крупных грибов, разбросанных по всему подземелью. Он заменяет древесину в рецептах, но явно необходим для изготовления новой структуры Ворсистый Ковёр.

Грибы появляются на карте как урожайный ресурс, подобно кустарникам, найденным для Ягод. Тем не менее, будьте осторожны, чтобы избежать синих или красных грибов, найденных на карте, так как они пригодны для сбора урожая, но опасны. Синие грибы вызывают мгновенное Переохлаждение. Красные грибы вызывают Галлюцинации, которые могут быть смертельными: побочные эффекты, отличные от цветного зрения, включают неконтролируемую смену направления, постоянную дефекацию и сопровождающий ее повышенный голод, а также забвение дыхания — более известное как удушье, но оно игнорирует уровень кислорода игрока, поскольку автоматически регистрирует, как если бы у игрока было 0 кислорода. Любой из этих побочных эффектов может убить неподготовленных игроков. Эти эффекты также могут повредить плечевым динозаврам, поэтому будьте осторожны.. Однако употребление в пищу Водянистых Грибов обеспечивает временный иммунитет к Замораживающему Дебаффу или светящимся ядам, а употребление в пищу Сытных Грибов обеспечивает временный иммунитет к Галлюцинирующему Дебаффу или плодородным ядам.

Новые Функции

Поскольку карта в основном находится под землей, часто происходят Землетрясения, которые отбрасывают случайные предметы, включая Дерево, Кремень, Редкий Гриб, Камень, Самоцветы, Обсидиан, и Кристалл. Они также произвольно перемещают спящих выживших, которые не привязаны к своим кроватям, и заставляют выживших, используя зиплайн или альпинистскую кирку, падать.

Есть также места, где Элемент называемые Узлами Заряда. Они требуют ресурсов для ремесла, и одним из основных предметов, необходимых является Элементная Руда  которая находится на поверхности или в могиле потерянных.

Новые Существа

Два новых существа, Безымянный и Жнец, Два новых существа, безымянный и жнец, появляются с различными частотами в областях биолюминесценции и элементных областях, в отсутствие заряженного света, в том числе внутри созданных игроками структур. Рекомендуется держать источники зарядного света вокруг основания, так как обычные источники света не препятствуют их появлению. Зарядки, как правило, обеспечиваются новые динозавры: Яснокрыл, Лампадог, Лучехвост, и Светорог.

Еще одно новое существо, Опустошитель быстро становится фаворитом выжившего как животное ближнего боя выбора, поскольку их урон быстро накапливается с их бонусом стаи.

Области[править | править код]

• 20x20px Безымянные и 20x20px Риперы никогда не появляются здесь, если они следуют за вами с поверхности или из другой области, они останутся до тех пор, пока не потеряют агрессию, а затем немедленно прячутся под землей, скрываясь из поля зрения (возможно) когда они достигнут этого региона.
• Головокружительные споры чаще всего бывает в этом регионе.
• Мухоморы Грибы и Зелёные Самоцветы присутствуют во всё регионе.

• Crystalline Swamps

• Hidden Grotto

• Luminous Marshlands

• The Overlook

• Element Falls

• Elemental Vault

• Halls of the Reaper

• Halls of the Reaper Queen

• Hope’s End

• The Grave of the Lost

• The Lost Roads

• The Spine

• Teeming Caverns — Entrance

• Teeming Caverns — Tunnels

• The Surface — Northwest

• The Surface — Northeast

• The Surface — Southwest

Approximate Spawn Locations[править | править код]

Approximate Spawn Locations P: Portal (easiest) FL 1: Fertile Lake 1 (easy) FL 2: Fertile Lake 2 (easy) FL 3: Fertile Lake 3 (easy) FL 4: Fertile Lake 4 (medium) UMF: Upper Mushroom Forest (medium) LMF: Lower Mushroom Forest (medium) FR: Fertile River (medium) E 1: The Edge 1 (hard) E 2: The Edge 2 (hard) E 3: The Edge 3 (hard) E 4: The Edge 4 (hard)

Карты данных[править | править код]

• Стратегические ресурсы

• Карта исследования

• Спавн существ

Уникальные Существа[править | править код]

Aberration добавляет следующих существ

Другие[править | править код]

В дополнение к существам DLC на карте также появляются следующие существа:

Все Регионы[править | править код]

Плодородный Регион[править | править код]

Био-Люминесцентный Регион[править | править код]

Регион Расплавленного Элемента[править | править код]

Compared to their standard versions, Aberrant Creatures have 4% less health, deal 6% more damage and glow in the dark.

Aberrant Dimorphodon was previously thought to not spawn, but has now been found in some regions of the map.

Aberrant Araneo has been known to be sighted around Grave of the Lost and Rockwell Terminal, but much like Dimorphodon, are a rare sight.

Неизвестно[править | править код]

Data containing Aberrant Megalania exist within game files, but has no spawn area as of current. This is due to a design choice in favor of Rock Drakes.^[2]

Иммунитет к Радиации[править | править код]

Полный список невосприимчивых к радиации существ:

Существа Событий[править | править код]

Существа которые появляются только во время Событий:

Трансфер[править | править код]

Полный список существ, трансфер которых разрешен на Aberration:

Все предметы из основной игры доступны на Aberration в дополнение к предметам ниже.

Ресурсы[править | править код]

Расходные материалы[править | править код]

Трофеи и награды[править | править код]

Оружие, Броня, и Инструменты[править | править код]

Постройки[править | править код]

Сёдла[править | править код]

Косметическое[править | править код]

Заметки Первопроходцев

Так как Aberration является частью истории ARK, Заметки Первопроходцев могут быть найдены по всей карте. Эти Заметки Первопроходцев рассказывают знания о ARK. Для получения более подробной информации см. Заметки Первопроходцев.

Досье Динозавров

В добавок к Заметкам Первопроходцев найденным на карте Aberration, могут быть также найдены Досье Динозавров, написанные Хеленой Уокер чтобы задокументировать исследование существ Aberration. Для получения более подробной информации см. Досье Динозавров.

• 
  Глубин
• 
  Теней
• 
  Следопыта

Артефакт Потерянных был добавлен в игру с DLC Aberration, но его нельзя получить законным путем.

• Unlike the main game and the previous DLC Scorched Earth and like Extinction, this expansion pack includes mainly non-existent creatures from fantasy. (e.g: Bulbdog, Nameless, and Reaper King), and creatures from mythology such as the Rock Drake, Basilisk, and Karkinos.
• While the Overseers are pivotal for Arks to Function, it is shown in Aberration that despite Rockwell becoming the new Overseer with the old Overseer gone he didn’t have complete control like a normal Overseer would and there are hints to suggest that Rockwell was in a constant struggle with the Ark itself and what little functionality it had left such as:
  • The existence of light pets, glowbugs and plant species z all seem to perfectly counteract the Nameless and Reapers both of which Rockwell takes a particular liking to.
  • The Seekers seem to be specifically designed to kill anything that produces light possibly being used by Rockwell to take control.
  • The Rock Drakes are the natural predators of Nameless and the natural enemies of Reapers seeming specifically designed to counter both.
  • After you beat Rockwell the Arena you fight him in changes from purple to blue indicating that the Ark has regained control again overpowering Rockwell due to him being severely weakened.
• Similarly to Scorched Earth, Aberration never shows all of its Guardians.
  • However unlike Scorched Earth it doesn’t show any Guardians at all.
  • In lore it was confirmed that there were once Guardians as the old Overseer of Aberration was mentioned in explorer notes to transform into element versions of its Guardians similarly to the Overseer on the Island and presumably the Overseer on Scorched Earth could probably do the same as well transforming into a element version of the Manticore and the other 2 Guardians.
• Almost every creature on Aberration is brand new except for the Tek Parasaur, Tek Raptor, Tek Stegosaurus and the Giant Bee.
• The Broken ARK, which is the setting for this DLC, is visible during the Ascension cutscene of the Island if one looks out the windows.
• According to the end video after defeating Rockwell, it appears you are sent through portal frames in the Element Falls shaft, through the Portal, across space then arriving on what looks like a ruined earth, which is the setting for the DLC Extinction.
• With the information gathered from the dossiers, it’s discovered that Diana (a former survivor of Aberration) is responsible for the scorched Surface, dysfunction of the Obelisks, and the rise of Rockwell as the Overseer of Aberration, when her group destroyed the original Overseer. In the life on Aberration before the damage, it seems the Overseer would have spawned and been located in the same manner as on the Island. However, with the destruction of the Overseer and apparent control center for the ARK, the shields fell as earthquakes began.
• If you stand near those large crystals sticking out of the roof of some regions, you can hear strange humming.
• Aberration is currently the only map that allows any creature within an Artifact cave to be tamed. Most other maps have at least one cave which contains creatures that aren’t able to be tamed.
  • Furthermore, it’s the only DLC to feature a native dino only tamable in a cave, that being the Glowtail.
• Prior to Patch 282.102, Tek Teleporter can’t be built anywhere within Aberration.
• Any flyer as well as Thylacoleo cannot be downloaded or used (unless spawned with commands) in Aberration, though Managarmr can.
• While most of the creatures found on Aberration are fantasy creatures it is possible like most other creatures the animals found on Aberration could have come from a fantasy world in Ark that no longer exists. Because most of the creatures keep in the Ark’s are creatures that come from a world that can’t support life anymore.
• Aberration may not have always been planned to have been a Expansion Pack for Ark as when Atlas was released a hidden menu was discovered that showed Atlas was originally supposed to be a Ark Expansion Pack called «Ocean DLC».
• Additionally for a very long time there was a underwater obelisk planned for Ark and the Kraken boss in Atlas is essentially a Reskin of the Rockwell boss battle in Aberration.
• Aberrant Megalosaurus do not stay awake when transfered to other maps such as Valguero or The Island.

Шаблон:Нав Локации Aberration

Аберрация оптических систем — Сферическая аберрация, астигматизм наклонных пучков, искривление плоскости изображения, дисторсия изображений, преломление в призме, линзе, хроматическая аберрация и ахроматизация линз

Сферические аберрации в контактных линзах

Среди оптических искажений высшего порядка, которые могут возникать при ношении контактных линз, самой распространенной является сферическая аберрация. Она оказывает более заметное влияние на качество зрения по сравнению с другими типами искажений, поэтому производители контактной оптики ищут способы избавиться от подобных оптических дефектов.

Такой тип искажений характерен прежде всего для контактной оптики со сферическим дизайном. Она имеет форму полусферы, а радиус кривизны является одинаковым по всей поверхности. Сферические линзы прекрасно справляются с коррекцией оптических аберраций низшего порядка — близорукости, дальнозоркости, астигматизма до -1,5 диоптрий. По сравнению с очковой оптикой они дают гораздо менее заметные искажения боковой картинки.

Но все же такие линзы не являются на 100% эффективными в отношении сферических аберраций и других оптических дефектов высшего порядка. Поскольку их толщина в центре и на периферии одинакова, человек при определенных условиях может не совсем четко видеть предметы, получать изображение малой контрастности. Его зрение в сумерках заметно ухудшается, а при взгляде на освещенные предметы могут возникать ореолы и блики.

Производители контактной оптики долгое время искали способ минимизировать аберрации в мягких контактных линзах и создали оптические изделия асферического дизайна.

Аберрации высшего порядка

Более сложными и трудно устранимыми являются аберрации высшего порядка. Их сложнее диагностировать и не всегда можно скорректировать при помощи контактных линз. Более того, поскольку оптическим изделиям также присущи аберрации высшего порядка, они могут создавать дополнительные искажения, еще сильнее отклоняя световые пучки от центральной линии. Это особенно заметно при неправильно подобранных диоптриях или размере контактной оптики.

Сферические аберрации в линзах возникают из-за того, что лучи, падающие на периферическую зону оптического изделия, преломляются сильнее, чем те, которые проходят через центр. В результате их фокус не совпадает и картинка получается нечеткой, малоконтрастной.

Хроматическая аберрация при ношении линзы встречается реже сферической. Она представляет собой цветовое искажение и вызвана тем, что световые лучи с разной длиной волны преломляются под разными углами. В результате предметы одних цветов человек различает более четко, а другие видятся ему размытыми. Специалисты говорят, что именно по этой причине разноцветные объекты наш глаз почти всегда видит нечетко.

Кома является разновидностью сферической аберрации, при которой лучи, поступающие под углом к линзе, не фокусируются в одной точке. При таком искажении картинка сдвигается, и чем больше угол наклона падающих лучей, тем дальше отодвигается изображение. Кома не часто беспокоит пользователей контактных линз, однако может серьезно ухудшать качество зрения при определенных заболеваниях, например, кератоконусе.

Кривизна поля изображения — это такой тип оптического искажения, при котором изображение плоского предмета располагается на искривленной поверхности. Аберрация возникает из-за того, что фокусы в центральной части и на периферии не совпадают.

Дисторсия представляет собой неравномерное изменение масштабов картинки от центральной до краевой зоны. При такой аберрации меняется форма объекта, человеческий глаз воспринимает прямые линии как искривленные, при этом положительные и отрицательные линзы дают разное изображение.

Астигматизм косого падения возникает, когда человек сильно отводит взгляд от оптической оси и рассматривает изображение через периферию линзы, где совершенно иная кривизна поверхности и преломление лучей происходит под другим углом.

Это основные аберрации, с которыми может сталкиваться человек, использующий оптику, в частности мягкие линзы. Некоторые из них при ношении контактной оптики почти незаметны и не мешают качественному зрению. Наибольший дискомфорт пользователям доставляют сферические аберрации в контактных линзах, которые встречаются чаще других.

Асферические линзы: контактная оптика без аберраций

Асферические линзы имеют особую форму, которая отличается от классической полусферы. В таких моделях обе поверхности или только передняя имеют эллипсоидную форму и выглядят более плоскими по сравнению со сферическими изделиями. Радиус кривизны в таких средствах контактной коррекции не является постоянным по всей поверхности, а меняется от центра к периферической зоне. Такая конструкция позволяет добиться нужного баланса в преломлении световых лучей, проходящих через разные участки линзы, и получить изображение, сфокусированное в одной точке. Таким образом, асферическая контактная оптика помогает не только корректировать близорукость и гиперметропию, но также нейтрализует оптические искажения высшего порядка.

Такие линзы повышают контрастную чувствительность, улучшают четкость и остроту зрения (как центрального, так и периферического), позволяют человеку лучше видеть в сумерках и при плохом освещении. Асферическая контактная оптика незаменима для водителей, поскольку избавляет от бликов встречных фар и ореолов — кругов, которые появляются вокруг источников света. Геометрия таких оптических изделий обеспечивает более широкий радиус обзора, увеличивая зону видимости. Кроме того, асферические линзы комфортны для глаз, снижают усталость и утомляемость органов зрения при длительном ношении.

К популярным моделям контактной оптики с асферическим дизайном относятся ежемесячные силикон-гидрогелевые Air Optix Aqua от Alcon, однодневные Proclear 1 Day от CooperVision, цветные гидрогелевые Adria Glamorous от Interojo и многие другие.

Все больше производителей стремится создавать оптические изделия несферической формы, чтобы сократить влияние оптических аберраций и повысить качество Вашего зрения. Сегодня можно найти линзы с таким дизайном для коррекции близорукости, дальнозоркости, астигматизма. Асферические модели могут иметь однодневный, месячный или квартальный срок применения. Они подходят даже тем пользователям, которые нуждается в ношении линз с высокими диоптриями.

Как и другие средства контактной коррекции, назначать их может только врач-офтальмолог после проведенной диагностики. Он оценит степень аберраций зрительной системы, сопоставит эти данные с необходимой оптической коррекцией и подберет тот вариант контактной оптики, который обеспечит максимально качественное зрение.

Резюме

Аберрации как искажения визуальной картинки присущи всем оптическим системам, в том числе и контактным линзам. Однако правильный подбор оптических изделий с помощью профессионального офтальмолога поможет свести к минимуму подобные искажения и гарантирует Вам зрение высокой четкости.

Содержание:

• 1 Аберрации
• 2 Откуда появляются аберрации?
• 3 Аберрации, появившиеся из-за ЛАСИК
• 4 Борьба с аберрациями, индуцированными ЛАСИК
• 5 Суперзрение
• 6 Влияние аберраций на зрение
• 7 Экскурс в офтальмологическую классификацию аберраций
• 8 Роль аберрометрии (с функцией кератотопографии) в предоперационном обследовании
• 9 Еще раз о кератоконусе

Описание

Аберрации низшего порядка

Человеческий глаз является уникальной, но не совершенной оптической системой. Соответственно, проходя сквозь него, световые пучки зачастую отклоняются от нормы и дают неточное изображение на сетчатке. То есть даже без применения очков и контактных линз зрительной системе человека присущи аберрации. На них влияет кривизна роговицы, форма хрусталика, прозрачность слезного секрета и другие анатомические характеристики.

Самыми распространенными искажениями для человеческого глаза являются миопия, гиперметропия и астигматизм. Их называют аберрациями низшего порядка, и выявить такие нарушения может любой врач-офтальмолог при первичной диагностике. Для коррекции подобных искажений успешно применяются очки и мягкие контактные линзы, которые помогают восстановить правильный зрительный фокус и обеспечить четкость зрения.

Аберрация – что это

Содержание статьи:

Что такое аберрация простыми словами

На языке Древнего Рима глагол «aberro» означал отклоняться от нормы, заблуждаться. Поэтому понятие «аберрация» связано с отклонением от идеала, ошибкой, нарушением правильного хода вещей.

Этот термин используется в разделе физики, который называется «оптика» и занимается исследованием свойств оптических систем: природных или созданных человеком приборов, преломляющих ход лучей света и позволяющих получать различные изображения. Аналогичное понятие используют и другие науки: астрономия, биология и даже социология.

Почему возникают оптические аберрации?

В идеальных оптических приборах аберрации возникать не должны. Если поверхность линзы имеет совершенную сферическую форму, а сама линза сделана из однородного материала – полученное на экране изображение должно быть четким. При этом каждой точке объекта соответствует одна точка изображения.

В реальности даже очень хорошо отшлифованная поверхность линзы имеет небольшие отклонения от сферической симметрии. Материал, из которого изготовлен оптический прибор, тоже может быть неоднородным на микроскопическом уровне. Такие неоднородности влияют на скорость распространения световой волны, и, как следствие, на показатель преломления вещества. При этом ход лучей будет отклоняться от теоретически предсказанного направления.

В результате изображение имеет дефекты: отличается от объекта, выглядит как нечеткое и размытое по краям или приобретает цветную окраску. Эти отклонения от нормы и называются аберрациями.

Измерение аберраций

Отклонение лучей от своего правильного хода можно выразить в сетке координат. Для непосредственного расчета используются формулы, полученные как в рамках традиционной геометрической оптики, так и на основе волновых представлений.

Первый из этих способов описания лучше применим для случаев больших аберраций оптической системы, а формулы волновой оптики дают прецизионные результаты при малых аберрациях объектива.

Виды аберраций

В оптике выделяется два основных типа аберраций:

1. Монохроматические, присущие пучкам лучей одного цвета. Их называют еще геометрическими, так как они связаны с изменением хода лучей и можно исследовать с помощью геометрических построений. Примерами таких искажений являются сферические аберрации, кома, астигматизм и дисторсия.
2. Хроматические аберрации связаны с дисперсионными свойствами материала линз. В пучках белого света присутствуют световые волны разной длины, воспринимающиеся человеческим глазом как лучи разных цветов. При прохождении через прозрачный материал, например, стекло, эти лучи изменяют свою скорость по-разному, что приводит к разложению света в спектр. Изображение будет окружено цветным контуром или иметь неестественную окраску.

Как уменьшить аберрацию оптического прибора?

Устранение искажений, возникающих в оптических системах, представляет сложную задачу. Практические методы, применяемые для улучшения качества изображения, зависят от назначения оптического прибора.

Сферическая аберрация является следствием кривизны поверхности линзы. Лучи, идущие близко к главной оптической оси (линии, пересекающей центр линзы и перпендикулярной ее поверхности) и лучи, проходящие по краям, в идеальной линзе должны собираться в одну точку. Если на практике этого не происходит, изображение будет нечетким. Можно устранить этот недостаток, используя стекло с более высоким показателем преломления.

Другой способ борьбы со сферической аберрацией – использование диафрагмы, отсекающей «лишние» лучи, проходящие по краям линзы. Правда, при этом уменьшится яркость полученной картинки. Используют также системы из двух склеенных линз, для которых сферическая аберрация будет минимальной.

Хроматические аберрации также могут быть скорректированы. Для этого применяются комбинации оптических стекол с различной дисперсией. Дефекты, вносимые основной линзой, компенсируются искажениями, которые вносит добавочная линза. Такие системы линз называются ахроматическими.

Аберрация света

Астрономы используют термин «аберрация» для описания поправок, которые вносит система отсчета, связанная с Землей. Это одно из проявлений всеобщего принципа относительности – направление световых лучей зависит от выбора точки отсчета.

Расположение звезд на небосводе изменяется в зависимости от направления скорости движения нашей планеты по орбите вокруг Солнца, ее суточного обращения вокруг оси, и даже от скорости движения Солнца относительно центра нашей Галактики. Например, в течение земного года любая видимая звезда небесной сферы движется по эллипсу, тогда как при наблюдении с Солнца она бы оставалась неподвижной.

Аберрация в генетике

В биологической науке понятие аберрации вводится для описания изменений в структуре хромосом. Дефекты могут заключаться в отсутствии одного из участков хромосомы, изменении очередности генов, возникновении лишних участков и т.д. Если перестройка генов сбалансирована, она не ведет к утрате генетического материала и отклонениям от нормы.

Несбалансированные искажения приводят к повышению риска возникновения онкологических и наследственных заболеваний. Причиной таких аберраций часто служит ионизирующее излучение высокой частоты.

Сравнение графики Days Gone на PC и Playstation 5

^©

На популярном Youtube-канале ElAnalistaDeBits было проведено видео сравнения версии PS4 Pro (запущенной на PS5 в BC режиме) с версией игры для PC, запущенной на графическом процессоре NVIDIA RTX 3080. Исходя из этого анализа, мы имеем дело с отличным PC-портом и без того невероятной игры.

Как видно из видеоролика сравнения, очень заметна разница в дальности прорисовки. То же самое касается плотности растительности и текстур персонажей. Хотя это и не так бросается в глаза, мы также видим улучшение качества теней в версии для PC.

• Версия для PS5 работает в режиме обратной совместимости с разблокированной частотой кадров 60fps.
• На PS5 Days Gone работает в разрешении 4K с использованием технологии шахматного рендеринга, на PC игра работает в нативном 4K.
• На PC доступны очень интересные параметры настройки изображения, такие как увеличение FOV или устранение хроматических аберраций.
• Улучшено качество некоторых теней и отражений на PC. Однако во время смены дневного цикла тени остаются плохо прорисованными.
• На PC была обнаружена единичная ошибка (исчез грузовик).
• Были улучшены некоторые аспекты неба, например, плотность звезд в ночное время.
• Некоторые изменения тональности захваченных изображений связаны с погодными условиями.
• Days Gone — это хорошо проработанный порт для PC, гораздо лучше, чем Horizon: Zero Dawn на старте.

об авторе Пользователь пока ничего не написал о себе.

Аберрация | Забытые королевства вики

Аберрации были существами, которые были неестественными и имели нетрадиционную морфологию. ^{[1] [2]}

Эти существа не вписывались в мир природы. ^[1] Хотя некоторые полагали, что аберрации происходят из Дальнего Царства, ^[3] это не было верно для всех аберраций. Драйдеры, например, были неестественным помесью дроу и пауков. Созданные извращенной богиней Лолс, тела дроу претерпели аберрантную трансформацию, и поэтому были классифицированы как аберрации. ^[4]

Примерно в бурное время между Чумой Заклинаний и Вторым Расколом считалось, что аберрации были вызваны или затронуты Дальним Царством. ^[3] Из-за этого эти существа казались совершенно чуждыми для Первичного Материального Плана, фундаментальных планов, параллельных планов или любых других областей местной космологии. ^[5]

Аберрации, как правило, все имели причудливую анатомию, странные способности, инопланетный склад ума или любую их комбинацию.Большинство аберраций имели темное зрение до 60 футов (18 м), но как группа у них не было других особых способностей или иммунитета. ^[2]

См. Также [править | править источник]

Источники [править | править источник]

1. ↑ ^{1.0 1.1} Wizards RPG Team (2014). «Затерянная шахта Фандельвера». Стартовый набор Dungeons & Dragons (Волшебники побережья), стр. 54. ISBN 0786965592.
2. ↑ ^{2,0 2,1} Джеймс Вятт и Роб Хейнсу (февраль 2001 г.). Справочник монстров: Монстры Фаэруна . (Волшебники побережья), стр. 3. ISBN 0-7869-1832-2.
3. ↑ ^{3,0 3,1} Роб Хейнсу, Стивен Шуберт (май 2009 г.). Руководство по монстрам II (4-е издание) . (Волшебники побережья). ISBN 978-0786951017.
4. ↑ Скип Уильямс, Джонатан Твит, Монте Кук (июль 2003 г.). Monster Manual v.3.5 . (Волшебники побережья), стр. 89–90. ISBN 0-7869-2893-X.
5. ↑ Ричард Бейкер, Джон Роджерс, Роберт Дж.Швальб, Джеймс Вятт (декабрь 2008 г.). Руководство к самолетам 4-е издание . (Волшебники побережья), стр. 30. ISBN 978-0-7869-5002-7.

Коррекция шести распространенных типов аберраций линз

В оптических конструкциях аберрации возникают, когда свет из одной точки объекта не сходится или не расходится из одной точки после прохождения через систему. Нелинейные члены в законе Снеллиуса вызывают отклонения от идеального изображения: оптические системы, формирующие изображения, будут создавать не столь резкие изображения.Инженеры-оптики должны исправить аберрации, чтобы получить максимально резкое изображение.

Шесть распространенных типов оптических аберраций

1. Расфокусировка: оптическая система не в фокусе, что снижает резкость изображений, создаваемых системой.
2. Радиальное искажение: изображения с радиальным искажением обычно имеют симметричное искажение из-за симметрии объектива. Существует три типа радиального искажения: бочка, при которой увеличение изображения уменьшается с удалением от оптической оси; подушкообразное искажение, при котором увеличение изображения увеличивается с удалением от оптической оси; и искажение усов, которое представляет собой смесь двух типов.Хроматическая аберрация — это радиальное искажение, которое зависит от длины волны.
3. Астигматизм: лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусы. Там, где горизонтальная и вертикальная оси пересекаются, оси будут четко сфокусированы на двух разных расстояниях. Есть две формы астигматизма: аберрация третьего порядка, которая возникает для объектов, находящихся вдали от оптического доступа; и когда оптическая система не симметрична относительно оптической оси.
4. Кома: определяется как изменение увеличения по сравнению с входным зрачком. Кома часто наблюдается при проектировании телескопов, в результате чего звезды или другие объекты выглядят имеющими хвост.
5. Сферическая аберрация: это происходит, когда есть повышенное преломление световых лучей, падающих на линзу, или когда есть отражение световых лучей, падающих на зеркало около края, а не ближе к центру.
6. Кривизна поля Петцваля: Названная в честь физика Йозефа Петцваля, одного из основоположников геометрической оптики, это аберрация, при которой плоский объект не может быть сфокусирован на плоской плоскости изображения.

Устранение оптических аберраций с помощью программного обеспечения для проектирования оптики

Многие оптические аберрации можно легко устранить с помощью подходящего программного обеспечения для проектирования оптических элементов.Например, OpticStudio от Zemax, ведущее в отрасли программное обеспечение для проектирования оптики, имеет множество функций и возможностей, которые помогают исправлять распространенные аберрации.

Например, OpticStudio предлагает функцию анализа аберраций во всем поле, которая позволяет инженерам-оптикам улучшать конструкции произвольной формы, анализируя, как различные аберрации ухудшают качество изображения или луча системы во всем поле обзора. Оптические поверхности произвольной формы являются ключевым элементом многих современных оптических систем, используемых, например, в проектах виртуальной и дополненной реальности.Эта функция анализа отображает аберрации и вклад в ухудшение изображения по всему полю обзора XY. Пользователи могут анализировать системы произвольной формы так же, как и любую другую обычную последовательную систему, выявляя изменения аберраций в поле зрения и получая указания, как их исправить.

Электронное руководство: как понять, как изменяется или теряется контраст в оптической системе

Понимание потери контрастности в оптической системе так же важно, как и коррекция аберраций.Изучите основы.

СКАЧАТЬ>

Аберрации | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите оптическую аберрацию.

Реальные линзы ведут себя несколько иначе, чем моделируются с помощью уравнений тонкой линзы, создавая аберрацию . Аберрация — это искажение изображения. Существует множество аберраций, связанных с размером линзы, материалом, толщиной и положением объекта.Одним из распространенных типов аберраций является хроматическая аберрация, связанная с цветом. Поскольку показатель преломления линз зависит от цвета или длины волны, изображения создаются в разных местах и ​​с разным увеличением для разных цветов. (Закон отражения не зависит от длины волны, поэтому у зеркал нет этой проблемы. Это еще одно преимущество зеркал в оптических системах, таких как телескопы.)

На рис. 1а показана хроматическая аберрация для одиночной выпуклой линзы и ее частичная коррекция с помощью двухлинзовой системы.Фиолетовые лучи изгибаются больше, чем красные, поскольку они имеют более высокий показатель преломления и поэтому фокусируются ближе к линзе. Рассеивающаяся линза частично исправляет это, хотя обычно это невозможно сделать полностью. Могут использоваться линзы из разных материалов и с разной дисперсией. Например, ахроматический дуплет, состоящий из собирающей линзы из стекла короны и расходящейся линзы из бесцветного стекла в контакте, может значительно уменьшить хроматическую аберрацию (см. Рисунок 1b).

Рисунок 1.(а) Хроматическая аберрация вызвана зависимостью показателя преломления линзы от цвета (длины волны). Линза более сильна для фиолетового (V), чем для красного (R), создавая изображения с разным расположением и увеличением. (b) Системы с несколькими линзами могут частично корректировать хроматические аберрации, но для них могут потребоваться линзы из разных материалов и увеличивать стоимость оптических систем, таких как камеры.

Довольно часто в системе визуализации объект находится не по центру. Следовательно, разные части линзы или зеркала не преломляют и не отражают изображение в одной и той же точке.Этот тип аберрации называется комой и показан на рисунке 2. Изображение в этом случае часто выглядит грушевидным. Другой распространенной аберрацией является сферическая аберрация, когда лучи, сходящиеся от внешних краев линзы, сходятся в фокусе ближе к линзе, а лучи ближе к фокусу оси дальше (см. Рисунок 3). Аберрации из-за астигматизма в линзах глаз обсуждаются в разделе «Коррекция зрения», а диаграмма, используемая для обнаружения астигматизма, показана на рисунке 4. Такие аберрации также могут быть проблемой для изготовленных линз.

Рис. 2. Кома — это аберрация, вызванная смещением объекта по центру, что часто приводит к получению изображения грушевидной формы. Лучи исходят из точек, которые не находятся на оптической оси, и они не сходятся в одной общей точке фокусировки.

Рис. 3. Сферическая аберрация вызвана фокусировкой лучей на разном расстоянии от линзы.

Рисунок 4. На этом графике можно обнаружить астигматизм, неравномерность в фокусе глаза. Проверьте каждый глаз отдельно, посмотрев на центральный крест (без очков, если вы их носите).Если линии на одних осях кажутся темнее или четче, чем на других, у вас астигматизм.

Изображение, создаваемое оптической системой, должно быть достаточно ярким, чтобы его можно было различить. Часто бывает сложно получить достаточно яркое изображение. Яркость определяется количеством света, проходящего через оптическую систему. Оптическими компонентами, определяющими яркость, являются диаметр линзы и диаметр зрачков, диафрагм или диафрагм, расположенных перед линзами. В оптических системах часто есть входные и выходные зрачки, специально предназначенные для уменьшения аберраций, но они также неизбежно снижают яркость.Следовательно, оптические системы должны обеспечивать баланс между различными используемыми компонентами. Радужная оболочка глаза расширяется и сужается, действуя как входной зрачок. Вы можете видеть предметы более четко, если посмотрите через маленькое отверстие, проделанное рукой в ​​форме кулака. Прищурившись или используя небольшое отверстие в листе бумаги, вы также сделаете объект более резким.

Так как же исправить аберрации? Линзы также могут иметь поверхность особой формы в отличие от простой сферической формы, которую относительно легко изготовить.Дорогие объективы для фотоаппаратов имеют большой диаметр, поэтому они могут собирать больше света и требуют нескольких элементов для коррекции различных аберраций. Кроме того, достижения в области материаловедения привели к созданию линз с диапазоном показателей преломления, которые технически называются линзами с градиентным показателем преломления (GRIN). Очки часто обладают способностью обеспечивать диапазон фокусировки с использованием аналогичных приемов. Линзы GRIN особенно важны на конце оптических волокон в эндоскопах. Усовершенствованные вычислительные методы позволяют вносить ряд исправлений в изображения после того, как изображение было собрано и известны определенные характеристики оптической системы.Некоторые из этих методов представляют собой сложные версии того, что доступно в коммерческих пакетах, таких как Adobe Photoshop.

Сводка раздела

• Аберрации или искажения изображения могут возникать из-за конечной толщины оптических инструментов, несовершенства оптических компонентов и ограничений на способы использования компонентов.
• Средства для исправления аберраций варьируются от лучших компонентов до вычислительных методов.

Концептуальные вопросы

1. Перечислите различные типы аберраций.Что их вызывает и как их можно уменьшить?

Задачи и упражнения

Комплексные концепции. (a) Во время лазерной коррекции зрения на роговицу пациента проецируется короткая вспышка ультрафиолетового света 193 нм. Он образует пятно диаметром 1,00 мм и выделяет 0,500 мДж энергии. Рассчитайте глубину удаленного слоя, предполагая, что ткань роговицы имеет те же свойства, что и вода, и изначально имеет температуру 34,0 ° C. Температура ткани повышается до 100ºC и испаряется без дальнейшего повышения температуры.
(b) Означает ли ваш ответ, что форму роговицы можно точно контролировать?

Глоссарий

аберрация: неспособность лучей сходиться в одном фокусе из-за ограничений или дефектов линзы или зеркала

Решения проблем и упражнения

(а) 0,251 мкм; (b) Да, эта толщина означает, что форму роговицы можно очень точно контролировать, обеспечивая нормальное зрение вдаль у более чем 90% пациентов.

аберраций в конфокальной микроскопии | Nikon’s MicroscopyU

Усовершенствования конструкции упростили конфокальную микроскопию до такой степени, что она стала стандартным исследовательским инструментом в клеточной биологии.Однако по мере того, как конфокальные микроскопы стали более мощными, они стали более требовательными к своим оптическим компонентам. Фактически, оптические аберрации, которые вызывают незначительные дефекты качества изображения в широкопольной микроскопии, могут иметь разрушительные последствия в конфокальной микроскопии. К сожалению, строгие оптические требования конфокальной микроскопии часто скрываются оптической системой, которая гарантирует резкое изображение, даже когда микроскоп работает плохо. Производители оптики предоставляют широкий спектр объективов для микроскопов, каждый из которых предназначен для конкретных задач.Этот отчет демонстрирует, как компромиссы, связанные с дизайном объективов, могут повлиять на конфокальную микроскопию.

Рисунок 1 — Хроматические аберрации с двумя объективами

За последние десять лет конфокальная микроскопия превратилась из метода, доступного только специалистам в области микроскопии, в стандартный исследовательский инструмент. Распространение его приложений является результатом как быстрого технологического развития конфокальной микроскопии, так и развития пользовательского интерфейса коммерческих систем конфокальной микроскопии.Новейшие системы представляют собой системы почти под ключ, с помощью которых даже начинающие микроскописты могут быстро получить высококачественные изображения. По иронии судьбы, те же технические разработки, которые стимулировали распространение конфокальной микроскопии в экспериментальной биологии, также раздвинули границы оптики конфокальных микроскопов таким образом, что понимание оптических свойств конфокального микроскопа стало более важным, чем когда-либо.

Наиболее частым применением конфокальной микроскопии является сравнение распределения или поведения нескольких зондов в одних и тех же клетках.Такие исследования стали возможными благодаря разработке конфокальных микроскопов, которые способны эффективно собирать различные цвета флуоресценции, и разработке новых красителей, которые расширили полезный спектр флуоресцентной микроскопии. В зависимости от конфигурации микроскопа для таких исследований может потребоваться оптика, использующая световые волны с длиной волны от ультрафиолетового до инфракрасного. Требования к точным цветным изображениям были дополнительно увеличены за счет развития колориметрических методов количественной микроскопии, таких как измерение соотношения флуоресценции концентраций ионов.

Свобода от хроматической аберрации является лишь частью уравнения оптического дизайна, которое также учитывает монохроматические аберрации и такие параметры, как высокая эффективность фотонов, размер поля, плоскостность поля, рабочее расстояние и способность изображения глубоко в водных биологических тканях. Поскольку конструкция оптики микроскопа отражает компромисс между этими различными параметрами, производители обычно разрабатывают множество различных объективов микроскопа, каждый из которых представляет собой определенный набор компромиссных решений и каждый подходит для конкретного приложения.Обсуждаемые здесь исследования демонстрируют, что выбор объектива микроскопа может иметь огромное влияние на результаты экспериментов по конфокальной микроскопии. Они подчеркивают важность тщательного выбора объектива микроскопа, подходящего для экспериментального применения.

Идеальный объектив фокусировал бы все цвета света в одной и той же точке. На самом деле все линзы имеют хроматическую аберрацию — свойство, при котором свет разных цветов фокусируется в разных точках. При наблюдении за образцом через окуляр микроскопа этот дефект приводит к тому, что объекты кажутся окрашенными по краям.При визуализации образца в цветной конфокальной микроскопии этот дефект приводит к тому, что возбуждающее освещение разных цветов фокусируется на разные точки в образце, а из разных точек образца собирается излучение разных цветов. Горизонтальные смещения в плоскости изображения, называемые боковой хроматической аберрацией, приводят к разному увеличению разных цветов. Эту проблему можно свести к минимуму, ограничив анализ центром поля зрения микроскопа. Однако вертикальные смещения цвета вдоль фокальной оси, называемые осевой хроматической аберрацией, присутствуют по всему полю микроскопа.Это явно проблема для любого исследователя, пытающегося использовать цветную конфокальную микроскопию для определения относительного распределения нескольких зондов. Изображения, представленные на рисунках 1–3, показывают, как результаты цветного конфокального изображения критически зависят от природы объектива микроскопа.

На рисунках сравниваются характеристики объектива plan fluor 40x, который разработан для максимального пропускания УФ-света, с характеристиками объектива plan apochromat 100x, сконструированного с минимальной хроматической аберрацией.Для одного аспекта сравнения была собрана вертикальная серия изображений отражения от поверхности покровного стекла с использованием света 488 или 647 нанометров. Поскольку свет разных цветов отражается от одной поверхности, линза без хроматической аберрации фокусирует разные цвета в одной и той же фокальной плоскости. При воспроизведении в виде вертикального поперечного сечения изображения, собранные с помощью идеального объектива, будут показывать одну горизонтальную линию, в которой два цвета полностью перекрываются. Изображения в верхней половине Рис. 1 (a) иллюстрируют xz -секции отражения от стекла с фокусной осью ( z ), ориентированной вертикально, и демонстрируют, что планапохроматический объектив 100x надежно справляется с задачей приближаясь к этому идеалу, разрешая два цвета света до глубины в пределах 0.1 микрометр друг от друга. В отличие от этого, минимально скорректированный 40-кратный плоский флюоровый объектив обнаруживает отражение 647-нанометрового света примерно на 1,2 микрометра над 488-нанометровым светом. На изображениях отражения в стекле свет с длиной волны 647 нм показан красным цветом, а свет с длиной волны 488 нм — синим. Шкала показывает расстояние в 1 микрометр.

Рисунок 2 — Коррекция осевой хроматической аберрации

Эффект этого вертикального несоответствия проявляется во флуоресценции.В нижней половине этой панели (рис. 1 (а)) показаны вертикальные сечения объемов изображений шариков, помеченных тремя флуорофорами. При получении изображения с помощью планапохроматного объектива 100x три цвета совпадают, в результате получается белое, достаточно круглое изображение. Напротив, объектив с 40-кратным увеличением генерирует изображение, на котором дальняя красная флуоресценция (680-нанометровое излучение, изображенное синим цветом) заметно смещена по вертикали от красной (600 нанометров) или зеленой (520 нанометров) флуоресценции.Кроме того, небольшое горизонтальное смещение дальней красной флуоресценции отражает боковую хроматическую аберрацию.

Для получения биологических образцов для испытаний было использовано то преимущество, что эндосомы можно пометить путем инкубации клеток с флуоресцентно меченными эндоцитарными лигандами. Большое количество молекул, включенных в каждую эндосому, гарантирует, что каждая будет содержать одинаковое соотношение флуоресцентных зондов. Таким образом, эндосомы обеспечивают превосходный тест цветного конфокального изображения, поскольку они представляют объекты с низким разрешением в биологических образцах с цветом, который будет отражать относительный флуоресцентный вклад каждого флуорофора. Рисунок 1 (b) показывает цветное изображение клеток, в которых эндосомы были помечены как флуоресцеинтрансферрином (F-Tf, который флуоресцирует зеленым), так и Cy5-трансферрином (Cy5-Tf, который флуоресцирует далеко красным), собранным с использованием планапохроматический объектив 100x. Совместная локализация двух зондов проявляется в постоянных желто-оранжевых цветах отдельных эндосом и более очевидна при сравнении изображений с большим увеличением F-Tf ( Рисунок 1 (c) ) и Cy5-Tf ( Рисунок 1 (г) ).На этих изображениях (от рисунок 1 (b ) до рисунок 1 (d) ) масштабная линейка представляет длину 10 микрометров.

Однако при переключении на флуоресцентный объектив с 40-кратным увеличением видны небольшие различия в фокальной плоскости даже между красной и зеленой флуоресценцией, как показано в клетках, помеченных Tf, конъюгированным как с флуоресцеином, так и с родамином ( Рисунок 2 (a) ) . Различия в фокальных плоскостях между далекой красной и зеленой флуоресценцией приводят к поразительным различиям в видимых распределениях F-Tf и Cy5-Tf, которые теперь кажутся совершенно разными ( Рисунок 2 (b) ).

Для клеточного биолога, который оценивает относительное распределение различных зондов, эти смещения будут иметь катастрофические последствия. Расхождение в фокальной плоскости можно обойти, суммируя всю вертикальную серию объема изображения в одну проекцию, что устраняет эффект различий в фокальной плоскости двух цветов ( Рисунок 2 (c) ). Постоянный желтый цвет каждой эндосомы в проекции демонстрирует постоянное соотношение двух зондов в каждой эндосоме.Однако, поскольку эта процедура отбрасывает всю вертикальную информацию, это редко является подходящим способом представления конфокальных изображений. Эффекты осевой хроматической аберрации также можно минимизировать, измеряя осевое смещение различных цветов и комбинируя изображения, собранные из фокальных плоскостей, подходящих для каждого цвета. Пример этой процедуры показан на рис. 2 (d) , на котором показаны комбинированные изображения зеленого и дальнего красного, полученные на расстоянии 1,2 микрометра с помощью флюорового объектива с 40-кратным увеличением.Масштабная линейка на изображениях Рисунок 2 представляет длину 10 микрометров. Коррекция, достигаемая путем комбинирования изображений из разных фокальных плоскостей, очевидна при сравнении изображений отдельных датчиков, показанных на , рис. 3, . В то время как рис. 3 (а) и рис. 3 (б) показывают плохое согласие в распределении между F-Tf и Cy5-Tf на изображениях, собранных в одной и той же фокальной плоскости, сравнение рис. На рис. 3 (c) показано, что изображение в дальней красной области может быть наложено на полученное изображение зеленой флуоресценции 1.На 2 микрометра глубже. На этих изображениях (, рис. 3 (а), — , рис. 3 (с), ) масштабная линейка соответствует длине 5 микрометров.

В то время как хроматическая аберрация приводит к тому, что свет разных цветов фокусируется в разных точках объема изображения, сферическая аберрация может значительно уменьшить сигнал в конфокальном микроскопе. Сферически аберрированная линза фокусирует осевые и периферийные лучи в разные точки, тем самым размывая изображение точечного источника света.Точно так же, как конфокальное точечное отверстие так эффективно улучшает контраст изображения, отклоняя расфокусированный свет, оно эффективно устраняет большую часть флуоресценции объекта, отображаемого со сферической аберрацией.

Рисунок 3 — Коррекция цветовой фокальной плоскости

Для многих образцов основным источником сферической аберрации является разница между показателем преломления иммерсионной среды и монтажной среды.До недавнего времени объективы микроскопов с самым высоким разрешением и наилучшей коррекцией предназначались для использования с маслом в качестве иммерсионной жидкости. Для этих объективов сферическая аберрация сводится к минимуму только тогда, когда весь световой путь имеет показатель преломления иммерсионного масла (который такой же, как у стекла) и накапливается с расстоянием в среде с другим показателем преломления. Поскольку большинство образцов — особенно живые образцы — помещаются в среду с показателем преломления, который значительно ниже, чем иммерсионное масло, сферическая аберрация, таким образом, ограничивает глубину объемов изображения с использованием масляных иммерсионных объективов.

На рисунке 4 показаны эффекты сферической аберрации в конфокальной микроскопии, где масляный иммерсионный 100-кратный планапохроматный объектив использовался для получения изображения клеток, меченных F-Tf и установленных на глубине 0 микрометров (поверхность покровного стекла). ( Рисунок 4 (a) ) или 35 микрометров в водную среду ( Рисунок 4 (b) ). В обоих случаях эндосомы выглядят четко очерченными, но накопленная сферическая аберрация светового пути на 35 микрометров в водную среду серьезно нарушила флуоресцентный сигнал на фиг.4 (b) .Масштабная линейка представляет собой длину 10 микрометров на каждом из изображений, представленных в Рис. 4 .

Недавно производители оптики решили эту проблему, разработав объективы, в которых в качестве иммерсионной среды используется вода. Для водных образцов согласованный показатель преломления иммерсионной среды и среды образца делает сферическую аберрацию независимой от глубины изображения. Это позволяет этим объективам собирать изображения настолько глубоко, насколько позволяет рабочее расстояние, часто на сотни микрометров в образец.Успех этой конструкции показан на рис. 4 ((c) и (d)) , где показаны изображения клеток, помеченных F-Tf, собранные либо с нуля (, рис. 4 (c) ), либо с 66 микрометрами в водная среда ( Рисунок 4 (d) ) с использованием водно-иммерсионного 60-кратного планапохроматного объектива. Здесь на флуоресцентный сигнал не влияет путь света через водную среду образца. Это новое поколение планапохроматических водных иммерсионных объективов с высокой числовой апертурой значительно помогло конфокальной микроскопии реализовать свой потенциал в трехмерной биологической визуализации.

Цветовые характеристики этого объектива с водной иммерсией находятся между цветными характеристиками объектива с масляной иммерсией и план-апохроматом, которые обсуждались ранее. Изображения поперечного сечения отражения стеклянной поверхности в верхней половине Рис. 5 (a) показывают, что 647-нанометровый свет сфокусирован примерно на 0,6 микрометра над 488-нанометровым светом. Подобные модели для объемов, собранных в водной среде 0 или 63 микрометра, показывают, что это несоответствие не зависит от глубины изображения.

Нижнее левое изображение из Рисунок 5 (a) показывает, что это цветовое несоответствие приводит к смещению дальнего красного изображения шарика с тройной меткой от изображения красной или зеленой флуоресцентных изображений. На изображениях флуоресцентных шариков эмиссия 520 нанометров показана зеленым цветом, эмиссия 600 нанометров — красным, а эмиссия 680 нанометров (дальний красный) — синим. Правая нижняя часть этой панели демонстрирует критическую важность коррекции толщины покровного стекла для минимизации сферической аберрации в объективах такого типа.Поскольку коррекция сферической аберрации зависит от длины оптического пути через покровное стекло, она регулируется с помощью воротника, который устанавливается в соответствии с толщиной покровного стекла. В то время как поперечное сечение шарика слева было получено с воротником, установленным на измеренную толщину покровного стекла (174 микрометра), изображение справа было получено с воротником, отрегулированным на 150 микрометров. Сферическая аберрация, возникающая в результате неправильной настройки воротника, сильно ослабляет сигнал флуоресценции и снижает вертикальное разрешение.Хотя эта неправильная регулировка была выбрана, чтобы подчеркнуть суть вопроса, мы подчеркиваем, что такая ошибка легко встречается на практике, поскольку фактическая толщина покровных стекол может отличаться более чем на 40 микрометров от их номинального значения. Правильная установка воротничка может быть обеспечена только путем измерения отдельных покровных стекол. На всех изображениях в , рис. 5 (а) , ось фокуса ориентирована вертикально, а масштабная линейка указывает расстояние в 1 микрометр.

Рисунок 4 — Сферическая аберрация

Изображения, показанные на фигуре (b, ) и , фигуре 5 (c), представляют собой поле клеток, меченных как F-Tf, так и Cy5-Tf, и были собраны на глубине 63 микрометров в водный буфер. .На этих двух изображениях масштабная линейка представляет 10 микрометров. Хотя изображения кажутся резкими, осевая хроматическая аберрация этого объектива приводит к тому, что распределения F-Tf и Cy5-Tf кажутся дискретными ( Рисунок 5 (b) ). Тем не менее, проекция вертикальной серии изображений этих клеток ( Рисунок 5 (c) ) показывает, что два зонда одинаково маркируют все эндосомы. В соответствии с отраженными изображениями, показанными на рис. 5 (а) , аксиальная хроматическая аберрация аналогичным образом проявляется на изображениях эндосом, собранных на глубине ноль микрометров (на поверхности покровного стекла).Небольшая разница наблюдается в фокальной плоскости красной и зеленой флуоресценции на изображениях эндосом, меченных Tf, конъюгированным как с флуоресцеином, так и с родамином ( Рисунок 6 (a) ), но F-Tf и Cy5-Tf снова, кажется, маркируют дискретные популяции эндосом ( Рисунок 6 (b) ).

Распределение двух зондов можно лучше сравнить, если учесть разницу в фокальной плоскости и объединить изображение Cy5-Tf с изображением флуоресцеина, полученным на 0,6 микрометра глубже.Совместная локализация двух зондов теперь проявляется в постоянном желтом цвете эндосом, показанном на фиг. 6 (c) . Очевидные различия в распределении двух зондов, показанные на изображениях, собранных в одной фокальной плоскости (, рисунок 6 (d), и , рисунок 6 (e), ) исчезают, когда изображение Cy5-Tf сравнивается с изображением F-Tf. собрали на 0,6 микрометра глубже ( Рисунок 6 (f) ). Масштабная линейка представляет длину 10 микрометров в Рисунок 6 (a) – Рисунок 6 (c) , и соответствует 5 микрометрам в Рисунок 6 (d) – Рисунок 6 (f) .

Эффекты хроматической аберрации также можно количественно оценить путем измерения коэффициентов флуоресценции на изображениях эндосом, помеченных несколькими зондами. Полулогарифмические графики гистограмм соотношений представлены на рис. 7 (а) для клеток, помеченных FR-Tf, с изображениями, полученными с использованием планапохромата 100x (красная кривая), план-флюора 40x (синяя кривая) и 60x план апохроматного иммерсионного объектива (зеленая кривая). Рисунок 7 (b) отображает гистограммы соотношений клеток, меченных F-Tf и Cy5-Tf, с использованием тех же трех объективов. Рисунок 7 (a) показывает, что отношение излучения родамина к флуоресцеину (красный к зеленому) является достаточно постоянным для всех трех целей. Напротив, Рисунок 7 (b) показывает, что хотя план-апохромат 100x по-прежнему показывает минимальные вариации в соотношении Cy5 и флуоресцеина (от дальнего красного к зеленому), план-апохромат при погружении в воду 60x показывает большее изменение, а план-апохромат 40x флюор показывает даже больше. Эффекты хроматической аберрации в плановом апохромате 60x и плановом флюоре 40x более очевидны, когда распределения для одной фокальной плоскости сравниваются с распределениями, измеренными в проекциях серии вертикальных изображений для каждого объектива ( Рисунок 7 (c) и Рисунок 7 (г) соответственно).В каждом случае узкое распределение соотношений флуоресценции в проецируемых изображениях сообщает о почти постоянном соотношении двух зондов в эндосомах, которое искажено на любом изображении в одной фокальной плоскости.

Рисунок 5 — Хроматическая и сферическая аберрации при погружении в воду

Представленные здесь исследования наглядно демонстрируют, как хроматические и сферические аберрации ухудшают качество конфокальной визуализации.В то же время они подчеркивают критическую важность выбора объектива в конфокальной микроскопии. Плохая цветокоррекция приведет к ошибочной интерпретации относительного распределения нескольких зондов, что является одним из основных приложений конфокальной микроскопии. Количественные оценки отношения также демонстрируют, как хроматические аберрации ставят под угрозу количественное определение с помощью микроскопа. Сферическая аберрация, возникающая в результате несоответствия погружения и среды образца, ухудшает вертикальное разрешение и может полностью исключить обнаружение флуоресценции.Хотя эти ошибки особенно заметны на высококонтрастных изображениях, полученных с помощью конфокальной микроскопии, они также ставят под угрозу изображения, полученные с помощью обычных методов эпифлуоресценции и трансиллюминации.

Хроматическая аберрация была охарактеризована в первую очередь в отношении УФ-флуорофоров. Другие результаты демонстрируют значительную осевую хроматическую аберрацию в дальнем красном диапазоне, который все чаще используется микроскопистами с разработкой новых дально-красных флуоресцентных зондов и лазеров, способных их возбуждать.Хотя представленные здесь исследования включают характеристику точечных источников, эти образцы легко обнаруживают проблемы, которые были бы очевидны (но не обязательно очевидны) при использовании более обширных зондов. Такие зонды включают цитозольные красители, которые часто используются при измерении соотношения флуоресценции ионных концентраций.

Например, флуоресценция цитозольного pH-индикатора SNARF-1 возбуждается 488-нанометровым светом, а pH измеряется по отношению флуоресценции при 580 нанометрах к флуоресценции при 640 нанометрах.Для измерения цитозольного pH тонких клеток легко представить, как на коэффициент флуоресценции может влиять положение клетки относительно отдельных фокальных плоскостей зеленого возбуждающего света, красного излучения и дальнего красного излучения. Хотя эти ошибки часто просто добавляют вариации к измерениям (удвоение или утроение стандартных отклонений в представленных количественных показателях), они также могут систематически влиять на измерения соотношений, например, при сравнении соотношений в различных частях ячеек различной толщины.

Рисунок 6 — Осевая хроматическая аберрация в объективах с погружением в воду

Последним следствием хроматической аберрации, хотя здесь не обсуждается, является то, как она влияет на обнаружение флуоресценции. В конфокальной системе с хроматической аберрацией разница между длинами волн возбуждения и излучения приводит к возбуждению одного объема и визуализации другого объема, ослабляя сигнал флуоресценции. Для систем сканирования луча (большинство конфокальных микроскопов) эта потеря сигнала ухудшается с удалением от оси, поскольку отображаемое пятно фокусируется все дальше и дальше от конфокального отверстия.

Следует подчеркнуть, что эти наблюдения не являются уникальными для конкретных объективов, используемых в представленных данных, или для конкретного производителя. Характеристики цветовой коррекции были идентично воспроизведены в трех примерах водно-иммерсионного объектива 60x и двух примерах масляного иммерсионного объектива 100x на подставках для микроскопов Quantum и Diaphot. Значительная осевая хроматическая аберрация была обнаружена в объективах всех основных производителей. Действительно, повсеместное распространение хроматической аберрации привело к разработке альтернативных конструкций микроскопов, которые устраняют хроматическую аберрацию либо путем наложения специальных вспомогательных корректирующих линз, либо полностью избегая рефракции и обращаясь к отражающим объективам.Тем не менее, микроскопическая оптика, вероятно, будет продолжать развиваться, и предварительный опыт использования нового поколения оптики CFI60 от Nikon, Inc. показывает, что осевая хроматическая коррекция значительно улучшена.

На первый взгляд может показаться, что одни цели просто лучше других. Однако, как обсуждалось ранее, объективный дизайн представляет собой компромисс конструктивных параметров. Таким образом, каждая цель отражает различный набор компромиссов при проектировании в соответствии с предполагаемым применением.Тем не менее, возможно, что исследователям потребуется больше, чем то, что в настоящее время доступно в оптическом дизайне, что вынудит их разрабатывать эксперименты, не выходящие за рамки объективного дизайна.

Если необходимо использовать масляный иммерсионный объектив для изображения образца в водной среде — например, при исследованиях живых клеток — сферическую аберрацию можно минимизировать либо за счет минимизации оптического пути через водную среду, либо за счет использования масла с рефракционным индекс адаптирован к сферической аберрации, вызванной водным оптическим трактом.

Рисунок 7 — Количественная оценка и хроматическая аберрация

Проблема хроматической аберрации может быть минимизирована несколькими способами. Если в конкретном эксперименте требуется использовать объектив со значительной хроматической аберрацией, наиболее очевидным решением будет просто полностью отказаться от использования флуоресцирующих красителей дальнего красного света, таких как Cy5. Результаты, обсуждаемые в этом обзоре, демонстрируют удовлетворительное согласие между зеленой и красной флуоресценцией со всеми протестированными целями.В общем, лучше всего использовать красители с максимальным возбуждением и излучением вблизи определенных длин волн, для которых была скорректирована конкретная цель. Второе решение, обсуждавшееся выше, состоит в том, чтобы собрать изображения каждого флуорофора в вертикальной серии фокальных плоскостей и объединить различные цветные изображения в соответствии с разницей в фокальной плоскости между ними. Это простое решение, но оно не подходит, когда необходимо быстрое получение изображения, как в случае живых клеток. Анализ, не показанный здесь, также указывает на то, что это решение не имеет достаточной точности для исправления изображений, предназначенных для количественной оценки соотношения.Более дорогое (или менее широко доступное) решение — использовать двухфотонную микроскопию, которая по своей природе не подвержена хроматической аберрации, пока не используется точечное отверстие в детекторе. Однако его многоцветность только сейчас исследуется.

Starburst Vision, Trefoil и многое другое

Дом Условия »Аберрации высшего порядка в глазу

Сделано Мадлен Сосудом; проверено Вэнсом Томпсоном, MD

Аберрации высшего порядка (HOA) — это более тонкие и сложные аномалии рефракции, чем близорукость, дальнозоркость и астигматизм.Из-за своей сложной природы эти аберрации невозможно исправить с помощью обычных очков и большинства контактных линз.

Если у вашего глазного врача есть специальное оборудование, необходимое для обнаружения ТСЖ [см. Технологию волнового фронта при обследовании глаз] и говорит, что у вас значительное количество этих аберраций, вы можете интересно, что это означает и какое влияние — если таковое имеется — на качество вашего видения.

Аберрации высших порядков имеют относительно незнакомые имена — например, кома, сферическая аберрация и трилистник.Эти аберрации могут вызвать проблемы со зрением ночью, блики, ореолы, нечеткость, звездообразование или двоение в глазах (диплопия).

Без глаз идеально, что означает, что все глаза имеют хотя бы некоторую степень аберрации высшего порядка. Если вам поставлен диагноз более высокого порядка аберрации, вам не нужно беспокоиться, если они не являются значительными достаточно, чтобы вызвать симптомы зрения.

Что такое аберрация высшего порядка?

Аберрация высшего порядка — это искажение, приобретаемое волновым фронтом света, когда он проходит через глаз с неровностями его преломляющих компонентов (слезная пленка, роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело).

Аномальная кривизна роговицы и хрусталика может способствовать искажению, создаваемому волновым фронтом света. Серьезные аберрации высшего порядка также могут возникать в результате рубцевания роговицы в результате хирургической операции на глазах, травм или болезней.

Катаракта, затуманивающая естественный хрусталик глаза, также может вызывать аберрации более высокого порядка. Аберрации также могут возникнуть, когда из-за сухости глаз уменьшается слезная пленка глаза, которая помогает изгибать или преломлять световые лучи для достижения фокусировки.

Общие формы волнового фронта (аберрации)

На этой диаграмме показаны наиболее распространенные формы аберраций, возникающих, когда волновой фронт света проходит через глаза с несовершенным зрением.Теоретически идеальный глаз (вверху) представлен безаберрационной плоской плоскостью, известной, например, как поршень.

Как диагностируются аберрации высшего порядка?

Аберрации высшего порядка идентифицируются по типам искажений, возникающих при прохождении светового фронта через глаз.

Потому что ни один глаз не является оптически идеальным, равномерный волновой фронт проходящих световых лучей через глаз приобретает некие объемные, искаженные формы. Так было обнаружено более 60 различных форм волнового фронта или аберраций. идентифицированы.

Две категории аберраций обычно используются для описания аномалий рефракции глаза:

• Аберрации более низкого порядка состоят в основном из близорукости и дальнозоркости (дефокусировки), а также астигматизма. Они составляют около 85 процентов всех аберраций глаза.

• Аберрации высшего порядка включают множество разновидностей аберраций. Некоторые из них имеют такие названия, как кома, трилистник и сферическая аберрация, но многие из них идентифицируются только с помощью математических выражений (полиномы Цернике).Они составляют около 15 процентов от общего количества аберраций в глазу.

Порядок относится к сложности формы волнового фронта, выходящего через зрачок — чем сложнее форма, тем выше порядок аберрации.

Какое влияние аберрации высшего порядка оказывают на качество зрения?

влияние аберраций высших порядков на качество зрения зависит от различных факторы, включая первопричину аберрации.

Люди с большими размерами зрачка, как правило, может быть больше проблем со зрением симптомы, вызванные аберрациями более высокого порядка, особенно при низком уровне условия освещения, когда зрачок открывается еще шире.

Но даже люди с маленькими или средними зрачками могут иметь хорошее зрение проблемы, когда аберрации более высокого порядка вызваны такими условиями, как рубцевание поверхности глаза (роговицы) или катаракта, затуманивающая глаз естественный хрусталик. Также специфические типы и ориентация высшего порядка В некоторых исследованиях было обнаружено, что аберрации влияют на качество зрения глаза с меньшими зрачками.

Большое количество определенных аберраций более высокого порядка может иметь серьезное влияние на качество зрения, вплоть до потери трудоспособности.

Какие симптомы связаны с аберрациями высшего порядка?

An глаз обычно имеет несколько различных аберраций более высокого порядка, взаимодействующих все вместе. Следовательно, корреляция между конкретным высшим порядком аберрацию и конкретный симптом выделить нелегко. Тем не менее, аберрации высшего порядка обычно связаны с двоением в глазах, размытость, привидения, ореолы, звездообразования, потеря контраста и плохая ночь зрение.

Можно ли исправить аберрации высшего порядка?

Довольно немного внимания уделяется аберрациям более высокого порядка, которые дней, потому что они, наконец, могут быть диагностированы с помощью технологии волнового фронта (аберрометрия), и потому, что они недавно были идентифицированы как иногда серьезные побочные эффекты рефракционной хирургии.

в В настоящее время различные формы адаптивной оптики использовались или разрабатываются разработан для индивидуальной коррекции аберраций более высокого порядка. К ним относятся новые виды очков, контактные линзы, интраокулярные линзы и рефракционная хирургия, которая изменяет форму поверхности глаза или роговицы.

цель адаптивной оптики — добиться такого типа коррекции зрения, который может сделать более плоской форму выходящего в плоскости волнового фронта зрачок, компенсируя его искажение.

Однако адаптивная оптика может быть не в состоянии определить конкретные физические недостатки рефракционной компоненты глаза, которые в первую очередь вызывают эти искажения.

[Для получения дополнительной информации о коррекции зрения для аберраций более высокого порядка прочтите об очковых линзах высокой четкости, волновом фронте или индивидуальном LASIK.]

Страница опубликована в марте 2019 года

Страница обновлена ​​в марте 2021 г.

Руководство по типам аберраций объектива в фотографии

Аберрации — обычная проблема в фотографии. Они влияют как на цветные, так и на черно-белые изображения.

К сожалению, это та область, которую мы не всегда можем обойти. Это заставляет нас решать эти проблемы позже, на этапе постпродакшна.

О всех типах аберраций, с которыми вы столкнетесь при фотографии, читайте ниже.

Что такое аберрации в фотографии?

Аберрация — это недостаток того, как линза фокусирует свет, который он улавливает. Есть несколько разных типов. Они влияют на такие вещи, как резкость, фокус, увеличение, искажение и цвет ваших изображений.

Когда дизайнеры создают новые линзы, это самая большая проблема, которую нужно преодолеть. Наличие аберраций ограничивает возможности объектива по точному воспроизведению изображения.

В идеальном мире дизайнер линз хотел бы, чтобы белый луч света был реалистично представлен. Это вне зависимости от его положения.

Как бы они ни старались, не всегда бывает так. Это особенно актуально для светосильных широкоугольных объективов.

Астрофотография — это область, в которой аберрации более распространены, чем в других областях фотографии.Это связано с крошечными источниками света, контрастирующими на темном фоне, например, космосе.

Заметные аберрации искажают форму звезд. Особенно это касается краев кадра.

Двумя наиболее распространенными аберрациями являются хроматические и монохроматические (сферические и т. Д.) Аберрации.

CA — это недостатки в том, как линза рассеивает свет разных цветов. Это похоже на то, как призма разделяет свет на радугу.

Многие объективы довольно хорошо корректируют хроматические аберрации, но они все же возникают.Это особенно верно для светосильных объективов и захвата высококонтрастных областей.

Для хроматической аберрации требуется немного больше информации. Вы можете найти его здесь, в нашей статье Что такое хроматическая аберрация и как ее исправить.

Монохроматическая аберрация

Монохроматические аберрации возникают, когда линзы фокусируются на одном цвете света.

Сферическая аберрация

Сферические аберрации возникают при использовании в объективе сферических стеклянных элементов.Эти элементы формы заставляют свет сходиться в разных местах датчика.

Конструкция объектива и качество материала из стекла , используемого в объективе, вызывают эту аберрацию. Даже размещение элементов внутри корпуса объектива не помогает. Это снижает силу фокуса и влияет на разрешение и четкость изображения.

Опять же, эта область немного сложнее. Дополнительную информацию можно найти в нашей статье Что такое сферическая аберрация? статья.

Comatic Aberration

Коматические аберрации или аберрации комы получили свое название от своей кометоподобной формы. Это когда они представляют точечные источники света на изображении.

Эта аберрация возникает, когда единственная точка света попадает в линзу по ее краю, а не по центру.

Они также более заметны по краям кадров на изображениях, снятых с широкой диафрагмой. Таким образом, повышение диафрагмы может помочь решить эту проблему.

Многие фотографы предполагают аберрацию комы с искаженными источниками света.Это может быть намного сложнее, чем простая проблема аберрации.

Внешняя кома аберрации возникают, когда хвосты направлены от центра изображения. Противоположными являются внутренней комы аберраций.

Объективы часто могут решить, что скорость важнее коррекции аберраций. Voigtländer 50mm f / 1.1 Nokton — хороший тому пример.

Тангенциальный и сагиттальный астигматизм

Возможно, вы слышали об астигматизме, когда речь идет о проблемах с человеческим глазом.Эта аберрация заставляет источники света по краям кадра растягиваться в форме линии.

Тангенциальный астигматизм — это когда линии проходят от верхнего правого угла до нижнего левого угла. Или наоборот. Сагиттальный астигматизм показывает формы линий, идущих от верхнего левого угла к нижнему правому.

Это одни из самых сложных аберраций, которые нужно исправить разработчикам объективов. В астрофотографии эти аберрации — одни из самых распространенных. Даже при использовании дорогих линз.

Повышение диафрагмы поможет минимизировать эти недостатки.

Кривизна поля

Аберрации кривизны поля возникают, когда линза не фокусирует свет на плоской плоскости. Вместо этого он фокусируется на воображаемой криволинейной поверхности.

Матрица большинства камер плоская, если только вы не используете камеру большого формата. Вы увидите несовершенство фокуса на всем изображении.

Изображения, страдающие этой аберрацией, выглядят так, как будто центр находится в фокусе, а края — нет. Это может произойти и в обратном порядке.

Некоторые новинки усиливают этот эффект в творческих целях. Вы можете увидеть «закрученное боке» из-за чрезмерного виньетирования и кривизны поля.

Старые линзы страдают от этой аберрации больше, чем современные линзы.

Плавающие элементы и изменение эффективного фокусного расстояния

Плавающие элементы являются частью внутренней линзы. Они корректируют свое положение при фокусировке на объектах, близких к объективу. Это помогает исправить аберрации, особенно в объективах более высокого класса.

Есть альтернатива этой групповой системе. Конструкция линзы может допускать перемещение других элементов внутри линзы. Это при фокусировке на более близких объектах.

Проблема в том, что эффективное фокусное расстояние уменьшается при использовании небольшого фокусного расстояния.

Примером может служить зум-объектив 70-200 мм f / 2,8. Эффективное фокусное расстояние упало до 145 мм при фокусировке на близком объекте. Это был метод, позволяющий четко сфокусироваться на более близких объектах.

Искажения

Искажение — еще одна очень распространенная аберрация, встречающаяся в фотографии.Эта аберрация возникает, когда объектив проецирует более широкую сцену через сенсор или плоскость пленки.

Искажение может происходить по вертикали или горизонтали. Бочкообразное искажение — это когда захваченная сцена выглядит меньше по краям кадра, чем в центре.

Подушкообразное искажение — это когда сцена на краях кадра выглядит больше, чем в центре. Объектив типа «рыбий глаз» или сверхширокоугольный объектив — прекрасный пример этого типа аберрации.

Аберрация искажения более заметна при съемке прямых линий.На изображениях с аберрациями искажения линии изгибаются и изгибаются. Это создает нереалистичную сцену.

Некоторые объективы даже показывают признаки аберрации обоих типов искажения. Этот тип искажения — искажение усов . Название происходит из-за волнистого характера линейного представления.

Искажения не представляют большой проблемы, поскольку мы ожидаем их гораздо больше. Мы жертвуем широким полем зрения на изменение представленных объектов. Если искажение слишком велико, это может отвлекать и на него больно смотреть.

Дополнительную информацию и примеры можно найти в разделе Что такое искажение объектива? статья.

Характеристика и адаптивная оптическая коррекция аберраций при визуализации in vivo в коре головного мозга мыши

Abstract

Сигнал и разрешение при визуализации мозга мышей in vivo ограничены оптическими аберрациями, вызванными образцом. Мы обнаружили, что, хотя оптические аберрации могут варьироваться в зависимости от образца и увеличиваться по величине с глубиной, они остаются стабильными в течение нескольких часов.В результате двухфотонная адаптивная оптика может восстанавливать характеристики, ограниченные дифракцией, до глубины 450 мкм и улучшать качество изображения в полях зрения в сотни микрон. Адаптивная оптическая коррекция дала пятикратное усиление сигнала для небольших нейронных структур и трехкратное увеличение аксиального разрешения. Поправки позволили нам обнаружить меньшие нейронные структуры при большем контрасте, а также улучшить отношение сигнал / шум во время функциональной визуализации Ca ²⁺ в отдельных нейронах.

Способность визуализировать биологические системы in vivo была главной достопримечательностью оптической микроскопии, потому что изучение биологических систем по мере их развития в их естественном, физиологическом состоянии дает важную информацию, которую препараты in vitro часто не позволяют (1). Однако для того, чтобы обычные оптические микроскопы достигли оптимального разрешения, ограниченного дифракцией, образец должен иметь оптические свойства, идентичные характеристикам иммерсионной среды, для которой предназначен объектив микроскопа.Например, в одном из наиболее широко применяемых методов микроскопии для визуализации in vivo, двухфотонной флуоресцентной микроскопии, часто используются объективы с погружением в воду. Поскольку биологические образцы состоят из структур (например, белков, ядерных кислот и липидов) с показателем преломления, отличным от показателя преломления воды, они вызывают оптические аберрации для входящей волны возбуждения и приводят к увеличению фокального пятна в образце и сопутствующему ухудшению сигнала и разрешения (2, 3). В результате разрешение и контраст оптических микроскопов ухудшаются in vivo, особенно глубоко в тканях.

Многие вопросы, связанные с тем, как мозг обрабатывает информацию как на уровне нейронных цепей, так и на биологическом уровне клетки, могут быть решены путем наблюдения за морфологией и активностью нейронов внутри живой и, предпочтительно, бодрствующей и ведущей себя мыши (1). В типичном эксперименте область черепа удаляется хирургическим путем и заменяется покровным стеклом, чтобы обеспечить оптический доступ к подлежащей структуре, представляющей интерес (4). Для визуализации во время поведения покровное стекло часто прикрепляют к оптически прозрачной пробке, встроенной в череп, чтобы улучшить механическую стабильность и предотвратить рост черепа и блокирование оптического доступа (5, 6) (рис.1 А ). Прежде чем возбуждающий свет двухфотонного микроскопа достигнет желаемой фокальной плоскости внутри головного мозга, он должен пройти сначала через черепное окно, а затем через ткань мозга, причем обе оптические свойства отличаются от свойств воды. Таким образом, они оба вызывают оптические аберрации возбуждающего света, что приводит к искажению фокуса даже на поверхности мозга.

Рис. 1.

AO улучшает качество изображения in vivo: ( A ) схематическое изображение геометрии для получения изображений in vivo в мозгу мыши, показывающее черепное окно (зеленое), встроенное в череп (розовый) для обеспечения стабильности мозг, а также оптический доступ.( B ) Боковые и аксиальные изображения шарика диаметром 2 мкм на 170 мкм ниже поверхности мозга до и после коррекции АО. ( C ) Профили осевого сигнала вдоль белой линии в B до и после коррекции AO. ( D ) Боковые и аксиальные изображения GFP-экспрессирующих дендритных процессов в поле с центром на бусине в A . ( E ) Профили осевого сигнала по белой линии в D . ( F ) Измеренный аберрированный волновой фронт в единицах длины волны возбуждения.( G ) Боковые и аксиальные изображения GFP-экспрессирующих нейронов на 110 мкм ниже поверхности мозга с коррекцией АО и без нее. ( H ) Профили осевого сигнала по белой линии в G . ( I ) Профили осевого сигнала вдоль синей линии в G . ( J ) Аберрированный волновой фронт, измеренный в единицах длины волны возбуждения. (Масштаб: 2 мкм в B и 10 мкм в других местах.)

Эти вызванные образцом аберрации можно скорректировать с помощью адаптивной оптики (AO) для восстановления разрешения, ограниченного дифракцией.В АО устройство формирования волнового фронта изменяет фазу возбуждающего света до того, как он попадает в образец, таким образом, чтобы компенсировать фазовые ошибки, вызванные образцом (7). Первоначально разработанная для приложений в астрономии, наиболее распространенная установка АО использует датчик для измерения волнового фронта после того, как он проходит через аберрирующую среду (например, атмосферу в астрономической АО). Затем эта информация используется для управления устройством формирования волнового фронта, которым обычно является деформируемое зеркало или пространственный модулятор света (ПМС) (8).Однако этот метод прямого измерения волнового фронта не подходит для визуализации in vivo. Во-первых, невозможно разместить датчик волнового фронта за аберрирующей средой, которая в этом случае все еще находится в мозгу. Другие подходы, в которых непосредственно измеряется волновой фронт света, отраженного от образца, ограничены, поскольку сильное рассеяние света в ткани мозга искажает информацию в отраженном волновом фронте (9, 10).

Недавно мы разработали метод АО на основе изображений, который не требует прямого измерения волнового фронта и нечувствителен к рассеянию образца (11).Путем сравнения изображений образца, снятых при освещении различных сегментов зрачка, локальный наклон волнового фронта измеряется по смещению изображения. Затем фазовый сдвиг для каждого сегмента либо измеряется непосредственно через помехи, либо рассчитывается с использованием алгоритмов восстановления фазы, подобных тем, которые разработаны для астрономической АО. Этот подход, основанный на сегментации зрачка, применительно к двухфотонной флуоресцентной микроскопии может восстановить ограниченные дифракцией характеристики как в биологических, так и в небиологических образцах, включая фиксированные срезы головного мозга.Однако остается вопрос, можно ли добиться таких же улучшений во время двухфотонной визуализации у интактной мыши. Вопросы, которые необходимо решить, включают в себя, насколько быстро оптические аберрации развиваются in vivo, какова величина и сложность их пространственного изменения и в какой степени адаптивная оптическая коррекция может улучшить как сигнал, так и разрешение во время морфологической и / или функциональной визуализации. Здесь мы отвечаем на эти вопросы и демонстрируем, что мы можем восстановить ограниченное дифракцией разрешение на глубине 450 мкм в коре головного мозга живой мыши.

Результаты и обсуждение

Ограниченное дифракцией разрешение может быть восстановлено in vivo с помощью АО.

Используя флуоресцентные шарики, введенные в кору головного мозга мыши с помощью внутриутробной электропорации (12), мы можем исправить оптические аберрации, вызванные черепным окном и корковой тканью. Например, на рис. 1 A – F сигнал увеличивается в 3,3 раза при той же мощности возбуждения после коррекции АО при визуализации флуоресцентного шарика диаметром 2,0 мкм, излучающего красный цвет, на 170 мкм ниже поверхности мозга.Результирующее улучшение разрешения дендритных ветвей, экспрессирующих GFP, является наиболее значительным в осевом направлении, поскольку осевое разрешение более чувствительно к наличию аберраций (11, 13). Улучшенный сигнал и разрешение приводят к значительному усилению контраста, так что после коррекции можно определить вдвое больше дендритных процессов, чем раньше (рис. S1). Для образцов, в которых фотоповреждение и фотообесцвечивание увеличиваются с увеличением мощности возбуждения быстрее, чем двухфотонный сигнал (14), достижение ограниченного дифракцией разрешения in vivo позволило бы использовать более низкую мощность возбуждения и, таким образом, ослабить такие нежелательные фотоиндуцированные эффекты.

Вместо флуоресцентных шариков для коррекции АО можно использовать соматы нейронов, меченных GFP. На Фиг.1 G и H показан пример коррекции с существенно улучшенным осевым разрешением, 2-кратным усилением сигнала на соме и 5-кратным усилением на ближайшем дендрите (Рис. 1 I ). Как правило, меньшие структуры показывают большее усиление сигнала при коррекции АО, чем большие структуры: увеличенный фокусный объем, вызванный аберрацией, позволяет возбуждать больше флуорофоров в большой флуоресцентной структуре, такой как сома, таким образом частично компенсируя уменьшенную фокусную интенсивность; для небольших флюоресцентных элементов, таких как бусинки и дендриты микронного размера, полное воздействие уменьшения интенсивности фокуса ощущается более остро.Это явление дополнительно показано на рис. S2, где коррекция аберраций, вносимых черепным окном, дает почти 5,8-кратное увеличение сигнала для шарика 0,5 мкм, 3,8-кратное увеличение для шарика 2 мкм и 1,8-кратное увеличение сигнала для флуоресцентного морской образец.

Аберрации, вызванные мозгом, стабильны во времени в течение нескольких часов.

Временная стабильность индуцированных мозгом аберраций является критическим фактором, определяющим практическое применение АО in vivo. В астрономии быстрые флуктуации атмосферы требуют коррекции АО в миллисекундном масштабе (8).Наши измерения (рис. 2) показывают, что аберрации in vivo в коре головного мозга мыши стабильны в течение нескольких часов, что позволяет нам использовать алгоритмы сегментации зрачка даже с относительно медленными устройствами формирования волнового фронта, такими как SLM. Действительно, для случаев бортовой коррекции на глубинах 60 и 90 мкм на рис. 2 изменение волнового фронта за 1–2 ч составляет всего 0,05 и 0,08 среднеквадратичного значения волны соответственно. Отметим, что этот результат применим к исправлениям более 100 сегментов зрачка, что достаточно для обработки режимов аберрации (например,например, сферическая аберрация, кома, астигматизм и т. д.), обычно связанные с адаптивной оптикой. При гораздо большем количестве областей зрачка, которые могут потребоваться для компенсации рассеяния на неоднородностях высокой пространственной частоты в ткани, могут потребоваться более быстрые методы (15).

Рис. 2.

Мозговые аберрации стабильны во времени в течение нескольких часов: ( A ) Боковые и аксиальные изображения шарика диаметром 2 мкм на 60 мкм ниже поверхности мозга до и после коррекции АО, измерено 1.С интервалом 3 часа. ( B ) Аберрированные волновые фронты, измеренные в два раза в A , в единицах длины волны возбуждения. ( C ) Разница между аберрированными волновыми фронтами в B в единицах длины волны возбуждения (обратите внимание на меньшую шкалу величин, чем в B ). ( D ) Боковые и аксиальные изображения пары бусин размером 2 мкм на 90 мкм ниже поверхности мозга до и после коррекции АО, измеренные с интервалом 2 часа. ( E ) Аберрированные волновые фронты, измеренные в два раза в D , в единицах длины волны возбуждения.( F ) Разница между аберрированными волновыми фронтами в E в единицах длины волны возбуждения (обратите внимание на меньшую шкалу величин, чем в E ). (Шкала: 2 мкм.)

Индуцированные мозгом аберрации увеличиваются с увеличением глубины изображения.

Распространено наблюдение, что разрешение и контраст изображения ухудшаются с увеличением глубины изображения. Используя флуоресцентные шарики размером 2 мкм, введенные в кору при внутриутробной электропорации, мы количественно сравнили аберрации, вызванные образцом, на разной глубине (16).На рис.3 мы суммируем осевую полную ширину на полувысоте (FWHM) и интенсивность флуоресценции этих шариков на глубине до 400 мкм при трех условиях: без коррекции АО, с коррекцией АО только для краниального окна и с полной АО. коррекция как черепного окна, так и ткани коры. Мы также показываем среднеквадратичную ошибку волнового фронта для компонента аберрации, вызванного мозгом. Ожидаемое увеличение аберраций с увеличением глубины изображения действительно наблюдается. Коррекция краниального окна улучшает качество изображения на всех глубинах, но полная АО коррекция как окна, так и ткани необходима для восстановления оптимальных характеристик, ограниченных дифракцией, за пределами 100 мкм.Максимальные улучшения сигнала и осевого разрешения составляют 7,5 × и 3 × соответственно. Изображения шариков до и после коррекции АО, а также аберрированный волновой фронт показаны на рис. S3. В приведенных выше данных мы измерили оптические аберрации после перемещения шариков в центр поля обзора, так что возбуждающий свет всегда проходит через черепное окно идентичным путем и, таким образом, испытывает идентичную аберрацию из черепного окна. Когда мы не настраивали положение образца, а измеряли аберрации как на разной глубине, так и в разных положениях поля сканирования, мы все равно наблюдали аналогичные тенденции вплоть до 450 мкм in vivo (рис.S4).

Рис. 3.

Аберрации, индуцированные мозгом, увеличиваются с увеличением глубины изображения: ( A ) Осевые FWHM изображений шариков диаметром 2 мкм на различной глубине до 400 мкм ниже поверхности мозга, при измерении без коррекции АО. (красный), с коррекцией АО только для черепного окна (синий) и с полной коррекцией АО как для черепного окна, так и для мозга (черный). Цветные линии служат ориентиром для глаза, а серая линия обозначает ограниченную дифракцией осевую FWHM. ( B ) Среднеквадратичная величина аберрированного волнового фронта, вызванного мозгом, в зависимости от глубины изображения в единицах длины волны возбуждения.( C ) Сигнал от шариков 2 мкм во всех трех условиях.

Пространственное изменение аберрации, вызванной образцом, сильно зависит от структуры ткани.

Поскольку мозг мыши оптически неоднороден и поскольку возбуждающий свет проходит через разные ткани при сканировании фокуса, ожидается, что оптическая аберрация будет изменяться в разных положениях фокуса. Изменение с глубиной (рис. 3) описано выше. Но в какой степени можно применить единственную коррекцию АО в одной точке к большему окружающему объему? Его применимость зависит от величины и пространственного масштаба неоднородностей на пути луча относительно пространственного масштаба сегментов зрачка, используемых для коррекции.Например, на рис. 4 A коррекция АО на флуоресцентном шарике на глубине 65 мкм улучшает сигнал и осевое разрешение только для дендритов (например, звездочка на рис. 4 A ) в пределах нескольких микрон от из-за наличия поблизости большого кровеносного сосуда (пунктирный круг на рис. 4 A ), который служит цилиндрической линзой для возмущения возбуждающего света в значительной степени зависимым от положения образом. С другой стороны, в регионах, лишенных таких больших аберрирующих тел, коррекция АО в одной точке может улучшить визуализацию значительного объема.На рис. 4 B , например, коррекция АО на валике на глубине 160 мкм улучшает сигнал и разрешение в объеме 102 × 102 × 96 мкм ³ . Конечно, как упоминалось в контексте временной стабильности, чем больше количество областей зрачка и, следовательно, больше степень коррекции в одной точке, тем более вероятно, что коррекция действительна в меньшей области в непосредственной близости от точка коррекции.

Рис. 4.

Аберрации, вызванные образцом, сильно зависят от местной структуры ткани: ( A ) Коррекция АО на шарике диаметром 2 мкм (красный канал) на глубине 65 мкм улучшает латеральные и аксиальные изображения только соседние дендриты (зеленый канал, белая звездочка), потому что соседний капилляр (красный пунктирный кружок) вносит пространственно локализованную аберрацию на шарик.( B ) Коррекция АО на другой бусине диаметром 2 мкм на глубине 160 мкм в области мозга без таких больших неоднородностей улучшает визуализацию в гораздо большем объеме. ( C ) Коррекция АО только для краниального окна достаточна для восстановления ограниченного дифракцией разрешения на поверхностных глубинах (32 мкм для боковых изображений). На вставке справа показан профиль осевого сигнала вдоль оранжевой линии в C . ( D — F ) Аберрированные волновые фронты измерены для A, — C , соответственно, в единицах длины волны возбуждения.(Шкала: 10 мкм.)

Коррекция только аберрации краниального окна полезна.

Хотя эффект индуцированной мозгом аберрации становится значительным за пределами 100 мкм (рис. 3), на более поверхностных глубинах коррекции только для краниального окна достаточно для восстановления характеристик, близких к дифракционным. Например, изображения поверхностных дендритных структур, трансфицированных цитозольным зеленым модулированным кальцием белком (GCaMP3) с коррекцией краниального окна и без нее, показывают превосходный сигнал и разрешение изображения после коррекции (рис.4 C ; также смотрите фильмы S1 и S2). По сравнению с коррекцией на флуоресцентной бусине, встроенной в мозг, коррекция черепного окна применяется к большему объему, чем локальная коррекция из-за неоднородностей ткани мозга (рис. S5).

Эти результаты предлагают три практических совета по улучшению качества изображения при двухфотонной флуоресцентной микроскопии in vivo даже без адаптивной оптики. Во-первых, минимизация толщины черепного окна или использование материала с показателем преломления, подобным воде (например,(например, фторированный этиленпропилен или тетраэтоксисилан Teflon®) уменьшит величину аберрации, вызванной окном. С другой стороны, стеклянное окно также помогает стабилизировать мозг и препятствовать отрастанию черепа в хронических экспериментах. Во-вторых, выравнивание головы мыши так, чтобы и черепное окно, и поверхность мозга были перпендикулярны оптической оси объектива, уменьшат внеосевые аберрации, такие как астигматизм или кома. Наконец, недостаточное заполнение объектива возбуждающим светом может улучшить сигнал изображения (рис.S6) из-за двух факторов: недостаточное заполнение приводит к передаче большей мощности лазера через объектив, а более низкая числовая апертура возбуждения (NA), вызванная недостаточным заполнением, приводит к меньшей аберрации возбуждения, по крайней мере, для типов аберраций, измеренных в мозге мыши. in vivo. Недозаполнение с высоким значением N.A. цель предпочтительнее, чем использование более низкой NA. объективный, потому что высокий Н.А. Объектив более эффективно собирает сигнал флуоресценции.

Коррекция АО улучшает визуализацию кальция in vivo.

Одним из важных применений двухфотонной визуализации головного мозга in vivo является визуализация нейронной активности с помощью кальция. На рис. 5 показаны примеры визуализации кальция на глубине 155 мкм нейронов в слое 2/3 первичной зрительной коры мышей с коррекцией АО для краниального окна и без нее. Подобно GFP-меченному нейрону на фиг.1 G , сигнал базальной флуоресценции F от 1,2-бис (2-аминофенокси) этан- N, N, N ‘, N’ — из орегонского зеленого 488 — Сома, меченная тетраацетатом-1, ацетоксиметиловым эфиром (OGB-1 AM), усиливается коррекцией АО.Кроме того, 30% нейронов (SD = ± 7%, восемь сеансов визуализации, всего 107 нейронов), которые реагируют на визуальную стимуляцию, показывают повышенные изменения сигнала, нормализованные к исходному уровню Δ F / F . Это увеличение, скорее всего, вызвано уменьшением фокусного объема после коррекции: если исходный аберрированный и, следовательно, увеличенный фокусный объем выходит за пределы сомы в окружающий нейропиль, Δ F / F будет уменьшаться из-за некоррелированных флуоресценции флуоресценции в ткань относительно сомы (17).Кроме того, 80% нейронов, демонстрирующих наибольшие зрительные реакции (определяемые здесь как имеющие Δ F / F > 20%), показывают увеличение Δ F / F после коррекции АО (SD = ± 20%). , восемь сеансов визуализации, всего 36 клеток). Мы предполагаем, что именно эти нейроны являются теми, чьи сомы охватывают фокальную плоскость, так что уменьшение фокального объема после коррекции наиболее эффективно отклоняет вклад нейропиля в этих случаях (18). Способность АО снижать объем возбуждения на глубине и улучшать отношение сигнал / шум при визуализации Ca ²⁺ может оказаться особенно полезной для изучения плотно упакованных и плотно меченых популяций нейронов.

Рис. 5.

Коррекция АО улучшает визуализацию кальция in vivo. ( A ) Боковые и аксиальные изображения нейронов, меченных OGB-1 AM, на 155 мкм ниже поверхности мозга без коррекции АО. ( B ) Боковые и аксиальные изображения одних и тех же нейронов с коррекцией АО для краниального окна. ( C ) Измеренный аберрированный волновой фронт в единицах длины волны возбуждения. ( D ) Сигнал флуоресценции ( верхний ) и его процентное изменение ( нижнее ) для четырех клеток, указанных в A , с коррекцией АО и без нее.Серые полосы обозначают периоды времени, в течение которых черно-белые решетки дрейфуют в восьми разных направлениях слева направо под 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, 180 °, 225 °, 270 ° и 315 °. .

Сводка.

Путем включения АО в двухфотонный флуоресцентный микроскоп мы демонстрируем, что оптические аберрации, вызванные тканью мозга и / или черепным окном, могут быть компенсированы in vivo для восстановления дифракционно-ограниченных характеристик на глубине мозга мыши. Мы наблюдаем прирост сигнала и разрешения как во время морфологической, так и функциональной визуализации, причем наибольшие улучшения наблюдаются на мелких объектах, таких как мелкие дендритные отростки.Действительно, с помощью адаптивной оптики мы теперь можем получать изображения на глубину> 400 мкм в мозг с разрешением, аналогичным разрешению, которое обычно наблюдается на поверхностной глубине в срезах мозга. В результате адаптивная оптика будет играть важную роль в применении многих физиологических методов in vivo, таких как двухфотонное снятие каркаса (19), двухфотонная визуализация дендритов, шипиков и аксонов (20), многофотонная абляция нейронов. структур (21), оптогенетической стимуляции (22, 23) и визуализации сверхвысокого разрешения (24).

Материалы и методы

Приборы.

Наш настраиваемый адаптивный оптический двухфотонный флуоресцентный микроскоп был подробно описан ранее (11). Вкратце, мы использовали два гальванометра для сканирования фокуса лазера в направлениях X и Y (ось объектива — направление Z ). Чтобы фазовая коррекция оставалась стационарной во время сканирования луча, гальванометры X и Y были сопряжены друг с другом, а гальванометр Y был сопряжен только фазовым ПМС, который затем был сопряжен с плоскостью заднего зрачка. а 16 ×, 0.8 N.A. цель. Все оптическое сопряжение было достигнуто с помощью специально разработанных телецентрических линз f-θ. Лазерный свет от настраиваемого титан-сапфирового лазера использовался для генерации двухфотонной флуоресценции, которая собиралась в эпиднаправлении и разделялась на зеленый и красный каналы для регистрации с помощью фотоумножителей. Для получения изображений зеленого флуоресцентного белка и флуоресцентных шариков для возбуждения использовали свет с длиной волны 900 нм. Для визуализации OGB-1 AM использовалось 850 нм. Во время сегментации зрачка были освещены небольшие области зрачка, и полученные изображения были проанализированы для измерения сдвигов изображения.До появления гальванометров использовался моторизованный 1–4-кратный редуктор луча (Special Optics, Inc.) для уменьшения размера возбуждающего лазера, чтобы он соответствовал освещаемой области ПМС, а также пара зеркал, установленных на ступенях быстрого поступательного движения. (PILine® Translation Stage; Physik Instrumente) использовались для направления возбуждающего лазера на конкретный исследуемый сегмент, чтобы более эффективно использовать доступную мощность лазера. Системные аберрации, вносимые оптической установкой, были компенсированы перед всеми экспериментами; таким образом, все показанные аберрации были вызваны самими образцами.

АО Коррекция.

Для всех коррекций АО мы использовали подход перекрывающейся маски для измерения локального наклона волнового фронта и восстановления фазы для получения фазовых сдвигов (11). Как правило, мы включаем сегмент зрачка размером 1/25 от площади полного зрачка, но перекрывая последовательные сегменты на половину их размера, чтобы получить 81 отчетливый сегмент. С одним дополнительным изображением, полученным с освещением полного зрачка в качестве эталонного изображения, 82 изображения использовались для измерения АО, что обычно занимало около 1 минуты при частоте изображения 1–4 Гц.Для измерения аберраций, вызванных краниальным окном, во время процедуры трепанации черепа мы наносили 1–10 мкл флуоресцентных шариков диаметром 2 мкм, взвешенных в искусственном солевом растворе, на поверхность мозга перед установкой краниального окна. Бусинки, расположенные между черепным окном и твердой мозговой оболочкой, использовали для коррекции АО на черепном окне.

Визуальная стимуляция

Визуальные стимулы контролировались специально разработанным программным обеспечением. Стимулы представляли собой черно-белые прямоугольные решетки с углом обзора 30 ° и 100% контрастом, дрейфующим с частотой 2 Гц в восьми различных ориентациях (0 °, 45 °, 90 °, 135 °, 180 °, 225 °, 270 ° и 315 °).Стимулы представлялись в виде последовательности, состоящей из восьми стимулов разной ориентации (6–8 с для каждого стимула и одинаковой длительности для черного экрана во время межстимульных интервалов). Для каждого сеанса визуализации последовательность повторялась 4–6 раз.

Животные и хирургические процедуры.

Все экспериментальные протоколы проводились в соответствии с руководящими принципами Национальных институтов здравоохранения по исследованиям на животных и были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных в исследовательском кампусе Janelia Farm, Медицинский институт Говарда Хьюза.

В хирургии матки. ДНК

и шарики вводили в мозг внутриутробных эмбрионов мышей для маркировки нейронов слоя II / III (25). Беременных мышей E15-E16 подвергали глубокой анестезии изофлуран-кислородной смесью (2% об. Изофлурана / об. O ₂ ). Рога матки обнажали, и 0,5 мкл флуоресцентных шариков в растворе или смеси ДНК-шариков (содержащей 0,5 мкл 2 мкг / мкл плазмиды, экспрессирующей зеленый белок и 0,5 мкл флуоресцентных шариков) вводили под давлением через капиллярную трубку с вытянутым стеклом. в желудочек каждого эмбриона.Для смеси ДНК-гранулы голову каждого эмбриона помещали между изготовленными на заказ электродами пинцета, и электропорация осуществлялась с помощью пяти прямоугольных импульсов (длительность = 50 мс, частота = 1 Гц, 40 В). Для инъекции только шариков электрические импульсы не применялись. В любом случае наблюдали, что шарики редко распределяются в L2 / 3 во время проведения экспериментов.

Вирусная инфекция.

Взрослых мышей анестезировали изофлураном (2% об. Изофлурана / об. O ₂ ).В черепе просверлили небольшое отверстие с помощью стоматологической дрели. Затем 20 нл суспендированного аденоассоциированного вируса — вируса GCaMP3 (Penn Vector Core, http://www.med.upenn.edu/gtp/vectorcore/) медленно вводили в неокортекс с помощью микроинъектора (26). Затем краевая кожа ушита швом. Визуализацию начали как минимум через 2 недели после вирусной инфекции.

Краниотомия.

Мышей анестезировали смесью изофлуран-кислород (1-2% об. Изофлуран / об. O ₂ ). Температуру тела поддерживали на уровне 37 ° C с помощью обогревающего одеяла.К черепу приклеивали головную пластину и производили трепанацию черепа (1,8–2 мм) над корой с сохранением твердой мозговой оболочки. Черепное окно, состоящее из ок. 1 покровное стекло и стеклянную пробку толщиной 0,19–0,25 мм поместили поверх трепанации черепа, а затем прикрепили к черепу и головной пластине с помощью стоматологического цемента. Затем мышей помещали под адаптивный оптический двухфотонный микроскоп и держали под наркозом изофлураном (1–1,5 об.% Изофлурана / об. O ₂ ) во время визуализации.

Загрузка красителя.

После анестезии мышей изофлураном (1% об. Изофлуран / об. O ₂ ) к черепу приклеивали головную пластину и выполняли трепанацию черепа (1.8–2 мм) производили над первичной зрительной корой, оставляя твердую мозговую оболочку нетронутой. Раствор красителя [0,8 мМ OGB-1 AM, 6% ДМСО, 1,2% (вес / объем) плюроновая кислота и 30 мМ серы родамин 101 в буферизованной Hepes искусственной спинномозговой жидкости (160 мМ NaCl, 6 мМ KCl, 13 мМ глюкозы). , 13 мМ 4- (2-гидроксиэтил) -1-пиперазинэтансульфоновая кислота (Hepes), 2,5 мМ CaCl ₂ , 2,5 мМ MgSO ₄ )] вводили с использованием микроинжектора (Narishige, MO-10) при 200 мкм ниже твердой мозговой оболочки. После инъекции красителя черепное окно, состоящее из нет.1 покровное стекло и стеклянную пробку толщиной 0,19–0,25 мм поместили поверх трепанации черепа, а затем приклеили к черепу и пластине головы с помощью стоматологического цемента. Затем мышей помещали под адаптивный оптический двухфотонный микроскоп и держали под наркозом изофлураном (1–1,5 об.% Изофлурана / об. O ₂ ) для визуализации при визуальной стимуляции.

Благодарности

Мы благодарим Карела Свободу за полезные обсуждения и предложения, Дэниела Хубера за советы по хирургическим процедурам, Цай-Вен Чена и Марка Андерманна за советы по визуализации кальция, а также Кэсси Руис и Кендру Смит за помощь в хирургических процедурах.Мы также благодарим Линь Тянь, Тианьи Мао, Джаярам Чандрашекар и Дуглас Ким за дар различных плазмид и вирусов.

Сноски

• Авторы: N.J., T.R.S. и E.B. спланированное исследование; N.J. и T.R.S. проведенное исследование; N.J. проанализировал данные; и N.

  No related posts.