ディープラーニング

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12575 (2023) この記事を引用

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光ピンセットは細胞を捕捉する力が強いため、捕捉された細胞の動きを解析することが重要です。細胞の回転は、精子細胞などの遊泳パターンに重要な役割を果たします。我々は、追加の光学設計を必要とせずに、楕円体状のセルの投影方向を自動的に決定できる高速深層学習ベースの方法を提案しました。この方法は、光ピンセットを使用して捕捉された精子細胞の平面回転を分析するために利用され、細胞頭部の回転を抽出する際の実現可能性を実証しました。さらに、この方法を使用して、温度やレーザー出力などのさまざまな条件下での精子の回転速度の変化を調べることにより、精子細胞の活動を調査しました。私たちの発見は、この方法の有効性の証拠を提供し、開発された回転分析方法は精子の品質評価に臨床的な可能性を秘めている可能性があります。

光ピンセット (OT) は、ポリスチレンビーズ、酵母細胞、精子、大腸菌などの微粒子や微生物を捕捉して操作するために広く研究されています1、2、3、4。生殖過程において、精子は女性の生殖管を通じて卵子と出会う必要があります。この過程で、運動性の低い精子は頸管粘液などの障壁によって排除されます5。光ピンセットに捕捉された精子細胞の動態については、キラリティーや運動力などのさまざまな側面を調査する研究を含む広範な研究が行われてきました6,7。この研究の方向性は、単一精子の品質検査において潜在的な価値を持っており、これは細胞質内精子注入 (ICSI) のような生殖補助技術にとって重要です8。現在、精子細胞の頭部の動きを迅速に追跡する主な方法には、従来のクラスタリングアルゴリズムを使用してセグメント化する重心の追跡が含まれます9、10。次に、ナシメントら。は、この方法を使用して、精子の活動を特徴付ける頭部の曲線速度 (VCL) を計算しました 11。ただし、高開口数の対物レンズの視野では、従来のセグメンテーション方法では、複雑な背景ノイズによりセグメンテーションの結果が不十分になります。さらに、回転などの精子のより複雑な運動パターンの場合は、追加の光学セットアップを設計する必要があり、精子の 3 次元運動を決定するための対応するアルゴリズムは通常、比較的ゆっくりと実行されます 12。

深層学習は、医療細胞画像セグメンテーションの分野、特に特定の細胞の計数 13、肝臓および肝臓腫瘍のセグメンテーション 14、脳および脳腫瘍のセグメンテーション 15 などの分野で広く応用されています。また、従来の方法と比較して、優れたセグメンテーション性能と堅牢性を備えています 16。 17.このツールは光ピンセットと組み合わせて、微小球の軸方向位置特定18、光ピンセットの光学力予測19、およびトラップ剛性測定20に適用することもできます。本研究では、深層学習によるセグメンテーションを用いて精子頭部の向きを抽出する高効率な手法を提案します。これを光ピンセットと組み合わせて精子を動的に捕捉し、個々の精子の回転運動を直接かつ同時に分析します。この方法は、他の楕円体状細胞や大腸菌などの細菌にも適しています。私たちの実験では、異なるレーザー出力での精子細胞の回転角速度の違いを分析し、私たちの方法が精子の運動性の定量化と単一の精子の運動性の検出の臨床研究に潜在的に応用できることを検証しました。

精子の投射位相情報を取得するために、図1aに示すように独自に設計した光ピンセットシステムを使用しました。私たちの実験装置では、連続波レーザー (Coherent Verdi G、2W) を使用して 532 nm のレーザービームを生成しました。このレーザービームは、ビーム拡大のためにビーム整形システム (BSS) に向けられました。結果として得られた直線偏光レーザービームはダイクロイックミラーに向けられ、ダイクロイックミラーはそれを油浸顕微鏡対物レンズ (Nikon、100\(\times\) 油浸; NA = 1.4; WD = 0.13 mm) の後部開口部に反射しました。ビームは、整形システム内の反射型純粋位相専用液晶空間光変調器 (Holoeye、HED6010-L-VIS) によって変調されます。目的のサンプル溶液をサンプルプールにロードし、電圧制御ステージ (Thorlabs; ZFM2030) を使用して制御されたオイルミラーの後焦点面に配置しました。サンプルチャンバーの照明は LED 光源によって提供され、サンプルのイメージングは CMOS カメラ (Sentech; STC-mbs241U3V; 163 fps) を使用して実行されました。

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