Ny matematisk metod ger tre gånger skarpare röntgenbilder på nanonivå

Forskare i matematik vid Lunds universitet har, i samarbete med Argonne National Laboratory i USA, utvecklat en ny beräkningsmetod som tredubblar upplösningen hos tredimensionella röntgenbilder. I experiment på hjärnvävnad har forskarlaget lyckats avbilda strukturer ända ned till 20 nanometers storlek. Som jämförelse är ett mänskligt hårstrå cirka 80 000 till 100 000 nanometer brett. Den nya detaljrikedomen gör det möjligt att i 3D särskilja cellernas allra minsta beståndsdelar, däribland synapser och mitokondrier.

Men hur fungerar egentligen tekniken när man inte har bytt ut själva röntgenkameran? Avbildningen bygger på så kallad röntgen-nanotomografi vid storskaliga synkrotronanläggningar, där intensiv röntgenstrålning skickas genom provet från hundratals vinklar för att registrera hur strålarna bryts. Det visade sig att den främsta flaskhalsen inte låg i röntgenoptiken, utan i beräkningarna som ska återskapa en tredimensionell volym ur mätdata. Genom nya matematiska optimeringsalgoritmer, utvecklade av matematikforskaren Marcus Carlsson, kan datorn nu utvinna betydligt mer sammanhängande information ur samma rådata utan att detaljer försvinner i rekonstruktionen.

Framsteget löser ett mångårigt problem inom biologisk forskning. För att studera vävnad på nanonivå har forskare hittills varit hänvisade till elektronmikroskopi, ett förfarande som kräver att biologiska prover först skärs sönder i extremt tunna skivor. Med den nya matematiska metoden kan betydligt större vävnadsprover undersökas helt intakta, vilket ger forskare möjlighet att kartlägga cellulära nätverk i sin naturliga, tredimensionella miljö.