L'apprentissage en profondeur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12575 (2023) Citer cet article

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Les pinces optiques exercent une forte force de piégeage sur les cellules, ce qui rend crucial l’analyse du mouvement des cellules piégées. La rotation des cellules joue un rôle important dans leurs schémas de nage, comme dans les spermatozoïdes. Nous avons proposé une méthode rapide basée sur l'apprentissage en profondeur qui peut déterminer automatiquement l'orientation de projection de cellules de type ellipsoïdal sans conception optique supplémentaire. Cette méthode a été utilisée pour analyser la rotation planaire des spermatozoïdes piégés à l’aide d’une pince optique, démontrant ainsi sa faisabilité pour extraire la rotation de la tête cellulaire. De plus, nous avons utilisé cette méthode pour étudier l’activité des spermatozoïdes en examinant les variations des taux de rotation des spermatozoïdes dans différentes conditions, notamment la température et la puissance de sortie du laser. Nos résultats fournissent des preuves de l'efficacité de cette méthode et la méthode d'analyse de rotation développée pourrait avoir un potentiel clinique pour l'évaluation de la qualité du sperme.

Les pinces optiques (OT) ont fait l'objet de nombreuses recherches pour piéger et manipuler des microparticules et des micro-organismes tels que des billes de polystyrène, des cellules de levure, du sperme et Escherichia coli1,2,3,4. Pendant le processus de reproduction, les spermatozoïdes doivent atteindre l’ovule par l’appareil reproducteur féminin. Dans ce processus, les spermatozoïdes à faible motilité seront éliminés par des barrières telles que la glaire cervicale5. Des recherches approfondies ont été menées sur la dynamique des spermatozoïdes piégés dans des pinces optiques, comprenant des études portant sur divers aspects tels que la chiralité et la force de motilité6,7. Cette direction de recherche a une valeur potentielle dans l’examen de la qualité d’un seul spermatozoïde, qui est crucial pour les technologies de reproduction assistée comme l’injection intracytoplasmique de spermatozoïdes (ICSI)8. Actuellement, la principale méthode permettant de suivre rapidement le mouvement de la tête d’un spermatozoïde consiste à suivre son centroïde, qui utilise des algorithmes de regroupement traditionnels pour segmenter9,10. Puis Nascimento et al. utilisé cette méthode pour calculer la vitesse curviligne (VCL) de la tête afin de caractériser l'activité des spermatozoïdes11. Cependant, dans le champ de vision des objectifs à ouverture numérique élevée, les méthodes de segmentation traditionnelles donnent de mauvais résultats de segmentation en raison d'un bruit de fond complexe. En outre, pour des schémas de mouvement plus complexes des spermatozoïdes, tels que la rotation, une configuration optique supplémentaire doit être conçue, et les algorithmes correspondants pour déterminer le mouvement tridimensionnel des spermatozoïdes s'exécutent généralement relativement lentement12.

L'apprentissage profond a été largement appliqué dans le domaine de la segmentation d'images cellulaires médicales, en particulier pour le comptage cellulaire particulier13, la segmentation du foie et des tumeurs hépatiques14, la segmentation du cerveau et des tumeurs cérébrales15, etc. Et par rapport aux méthodes traditionnelles, il présente des performances et une robustesse de segmentation supérieures16, 17.Cet outil peut également être combiné avec des pinces optiques et appliqué à la localisation axiale des microsphères18, à la prédiction de la force optique des pinces optiques19 et à la mesure de la rigidité des pièges20. Dans cette étude, nous proposons une méthode très efficace permettant d’extraire l’orientation de la tête du sperme à l’aide d’une segmentation basée sur l’apprentissage profond. Nous le combinons avec des pinces optiques pour piéger dynamiquement les spermatozoïdes et analyser la motilité rotationnelle des spermatozoïdes individuels directement et simultanément. Cette méthode convient également à d’autres cellules ou bactéries de type ellipsoïdal comme Escherichia coli. Nos expériences ont analysé la différence de vitesse angulaire de rotation des spermatozoïdes à différentes puissances de sortie laser et vérifié que notre méthode avait des applications potentielles dans la recherche clinique pour la quantification de la motilité des spermatozoïdes et la détection de la motilité d'un seul spermatozoïde.

Pour obtenir les informations sur la phase de projection du sperme, nous avons utilisé un système de pincettes optiques auto-conçu, comme le montre la figure 1a. Dans notre configuration expérimentale, nous avons utilisé un laser à onde continue (Coherent Verdi G, 2W) pour générer un faisceau laser de 532 nm. Ce faisceau laser a été dirigé vers un système de mise en forme de faisceau (BSS) pour l'expansion du faisceau. Le faisceau laser polarisé linéaire résultant a ensuite été dirigé sur un miroir dichroïque, qui l'a réfléchi sur l'ouverture arrière d'un objectif de microscope à immersion dans l'huile (Nikon, immersion dans l'huile 100\(\times\) ; NA = 1,4 ; WD = 0,13 mm). Le faisceau est modulé via un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides réfléchissant et à phase pure (Holoeye, HED6010-L-VIS) dans le système de mise en forme. La solution échantillon d'intérêt a été chargée sur un pool d'échantillons et positionnée sur le plan focal arrière du miroir à huile, qui a été contrôlé à l'aide d'un étage à tension contrôlée (Thorlabs ; ZFM2030). L'éclairage de la chambre à échantillons a été assuré par une source de lumière LED et l'imagerie de l'échantillon a été réalisée à l'aide d'une caméra CMOS (Sentech ; STC-mbs241U3V ; 163 ips).