Aprendizado profundo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12575 (2023) Citar este artigo

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As pinças ópticas exercem uma forte força de captura nas células, tornando crucial analisar o movimento das células presas. A rotação das células desempenha um papel significativo em seus padrões de natação, como nos espermatozoides. Propusemos um método rápido baseado em aprendizado profundo que pode determinar automaticamente a orientação da projeção de células do tipo elipsoidal sem design óptico adicional. Este método foi utilizado para analisar a rotação planar de espermatozóides aprisionados utilizando uma pinça óptica, demonstrando sua viabilidade na extração da rotação da cabeça celular. Além disso, empregamos este método para investigar a atividade das células espermáticas, examinando variações nas taxas de rotação dos espermatozoides sob diferentes condições, incluindo temperatura e potência de saída do laser. Nossas descobertas fornecem evidências da eficácia deste método e o método de análise de rotação desenvolvido pode ter potencial clínico para avaliação da qualidade do esperma.

Pinças ópticas (OT) têm sido amplamente pesquisadas para capturar e manipular micropartículas e microrganismos, como esferas de poliestireno, células de levedura, espermatozóides e Escherichia coli1,2,3,4. Durante o processo reprodutivo, os espermatozoides precisam encontrar o óvulo através do trato reprodutivo feminino. Nesse processo, os espermatozoides com baixa motilidade serão rastreados por barreiras como o muco cervical5. Extensas pesquisas têm sido realizadas sobre a dinâmica de espermatozoides aprisionados em pinças ópticas, abrangendo estudos que investigam diversos aspectos como quiralidade e força de motilidade6,7. Esta direção de pesquisa tem valor potencial no exame da qualidade do espermatozóide único, que é crucial para as tecnologias de reprodução assistida, como a injeção intracitoplasmática de espermatozóides (ICSI)8. Atualmente, o principal método para rastrear rapidamente o movimento da cabeça de um espermatozóide envolve o rastreamento de seu centróide, que utiliza algoritmos tradicionais de agrupamento para segmentar9,10. Então Nascimento et al. empregaram esse método para calcular a velocidade curvilínea (VCL) da cabeça para caracterizar a atividade espermática11. No entanto, no campo de visão da lente objetiva de alta abertura numérica, os métodos tradicionais de segmentação apresentam resultados de segmentação ruins devido ao ruído de fundo complexo. Além disso, para padrões de movimento mais complexos dos espermatozoides, como rotação, a configuração óptica adicional deve ser projetada, e algoritmos correspondentes para determinar o movimento tridimensional do espermatozóide geralmente funcionam de forma relativamente lenta .

O aprendizado profundo tem sido amplamente aplicado no campo da segmentação de imagens de células médicas, especialmente para contagem de células específicas13, segmentação de tumores hepáticos e hepáticos14, segmentação de tumores cerebrais e cerebrais15 etc. 17.Esta ferramenta também pode ser combinada com pinças ópticas e aplicada à localização axial de microesferas18, previsão de força óptica das pinças ópticas19 e medição de rigidez de armadilha20. Neste estudo, propomos um método altamente eficiente que extrai a orientação da cabeça do espermatozoide usando segmentação baseada em aprendizagem profunda. Nós o combinamos com pinças ópticas para capturar espermatozoides de forma dinâmica e analisar a motilidade rotacional de espermatozoides individuais direta e simultaneamente. Este método também é adequado com outras células ou bactérias do tipo elipsoidal, como Escherichia coli. Nossos experimentos analisaram a diferença na velocidade angular rotacional dos espermatozóides em diferentes potências de saída do laser e verificaram que nosso método tem aplicações potenciais em pesquisa clínica para quantificação da motilidade espermática e detecção de motilidade espermática única.

Para obter as informações da fase de projeção do esperma, utilizamos um sistema de pinça óptica autoprojetado, como mostrado na Fig. Em nossa configuração experimental, empregamos um laser de onda contínua (Coherent Verdi G, 2W) para gerar um feixe de laser de 532 nm. Este feixe de laser foi direcionado para um sistema de modelagem de feixe (BSS) para expansão do feixe. O feixe de laser polarizado linear resultante foi então direcionado para um espelho dicróico, que o refletiu na abertura traseira de uma objetiva de microscópio de imersão em óleo (Nikon, 100\(\times\) imersão em óleo; NA = 1,4; WD = 0,13 mm). O feixe é modulado através de um modulador de luz espacial de cristal líquido reflexivo e de fase pura (Holoeye, HED6010-L-VIS) no sistema de modelagem. A solução amostral de interesse foi carregada em um conjunto de amostras e posicionada no plano focal posterior do espelho de óleo, que foi controlado usando um estágio controlado por voltagem (Thorlabs; ZFM2030). A iluminação da câmara da amostra foi fornecida por uma fonte de luz LED e a imagem da amostra foi realizada utilizando uma câmera CMOS (Sentech; STC-mbs241U3V; 163 fps).