High resolution ultrastructural mapping of total calcium: electron spectroscopic imaging/electron energy loss spectroscopy analysis of a physically/chemically processed nerve-muscle preparation.

We report on a procedure for tissue preparation that combines thoroughly controlled physical and chemical treatments: quick-freezing and freeze-drying followed by fixation with OsO4 vapors and embedding by direct resin infiltration. Specimens of frog cutaneous pectoris muscle thus prepared were analyzed for total calcium using electron spectroscopic imaging/electron energy loss spectroscopy (ESI/EELS) approach. The preservation of the ultrastructure was excellent, with positive K/Na ratios revealed in the fibers by x-ray microanalysis. Clear, high-resolution EELS/ESI calcium signals were recorded from the lumen of terminal cisternae of the sarcoplasmic reticulum but not from longitudinal cisternae, as expected from previous studies carried out with different techniques. In many mitochondria, calcium was below detection whereas in others it was appreciable although at variable level. Within the motor nerve terminals, synaptic vesicles as well as some cisternae of the smooth endoplasmic reticulum yielded positive signals at variance with mitochondria, that were most often below detection. Taken as a whole, the present study reveals the potential of our experimental approach to map with high spatial resolution the total calcium within individual intracellular organelles identified by their established ultrastructure, but only where the element is present at high levels.

Multiphoton high-resolution 3D imaging of Langerhans cells and keratinocytes in the mouse skin model adopted for epidermal powdered immunization

Langerhans cells (LCs) can be targeted with DNA-coated gold micro-projectiles ("Gene Gun") to induce potent cellular and humoral immune responses. It is likely that the relative volumetric distribution of LCs and keratinocytes within the epidermis impacts on the efficacy of Gene Gun immunization protocols. This study quantified the three-dimensional (3D) distribution of LCs and keratinocytes in the mouse skin model with a near-infrared multiphoton laser-scanning microscope (NIR-MPLSM). Stratum corneum (SC) and viable epidermal thickness measured with MPLSM was found in close agreement with conventional histology. LCs were located in the vertical plane at a mean depth of 14.9 mum, less than 3 mum above the dermo-epidermal boundary and with a normal histogram distribution. This likely corresponds to the fact that LCs reside in the suprabasal layer (stratum germinativum). The nuclear volume of keratinocytes was found to be approximately 1.4 times larger than that of resident LCs (88.6 mum3). Importantly, the ratio of LCs to keratinocytes in mouse ear skin (1:15) is more than three times higher than that reported for human breast skin (1:53). Accordingly, cross-presentation may be more significant in clinical Gene Gun applications than in pre-clinical mouse studies. These interspecies differences should be considered in pre-clinical trials using mouse models.

Assessment of inflammatory burden contralateral to the symptomatic carotid stenosis using high-resolution ultrasmall, superparamagnetic iron oxide-enhanced MRI

BACKGROUND AND PURPOSE It is well known that the vulnerable atheromatous plaque has a thin, fibrous cap and large lipid core with associated inflammation. This inflammation can be detected on MRI with use of a contrast medium, Sinerem, an ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO). Although the incidence of macrophage activity in asymptomatic disease appears low, we aimed to explore the incidence of MRI-defined inflammation in asymptomatic plaques in patients with known contralateral symptomatic disease. METHODS Twenty symptomatic patients underwent multisequence MRI before and 36 hours after USPIO infusion. Images were manually segmented into quadrants, and the signal change in each quadrant was calculated after USPIO administration. A mixed mathematical model was developed to compare the mean signal change across all quadrants in the 2 groups. Patients had a mean symptomatic stenosis of 77% compared with 46% on their asymptomatic side, as measured by conventional angiography. RESULTS There were 11 (55%) men, and the median age was 72 years (range, 53 to 84 years). All patients had risk factors consistent with severe atherosclerotic disease. All symptomatic carotid stenoses had inflammation, as evaluated by USPIO-enhanced imaging. On the contralateral sides, inflammatory activity was found in 19 (95%) patients. Contralaterally, there were 163 quadrants (57%) with a signal loss after USPIO when compared with 217 quadrants (71%) on the symptomatic side (P=0.007). CONCLUSIONS - This study adds weight to the argument that atherosclerosis is a truly systemic disease. It suggests that investigation of the contralateral side in patients with symptomatic carotid stenosis can demonstrate inflammation in 95% of plaques, despite a mean stenosis of only 46%. Thus, inflammatory activity may be a significant risk factor in asymptomatic disease in patients who have known contralateral symptomatic disease. Patients with symptomatic carotid disease should have their contralateral carotid artery followed up.

Evaluation of Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) collection 004 (C004) aerosol retrievals at Kanpur, Indo-Gangetic basin

[1] We have compared the spectral aerosol optical depth (AOD, tau lambda) and aerosol fine mode fraction (AFMF) of Collection 004 (C004) derived from Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on board National Aeronautics and Space Administration's (NASA) Terra and Aqua platforms with that obtained from Aerosol Robotic Network (AERONET) at Kanpur (26.45 degrees N, 80.35 degrees E), India for the period 2001-2005. The spatially-averaged (0.5 degrees x 0.5 degrees centered at AERONET sunphotometer) MODIS Level-2 aerosol parameters (10 km at nadir) were compared with the temporally averaged AERONET-measured AOD (within +/- 30 minutes of MODIS overpass). We found that MODIS systematically overestimated AOD during the pre-monsoon season (March to June, known to be influenced by dust aerosols). The errors in AOD at 0.66 mu m were correlated with the apparent reflectance at 2.1 mu m (rho*(2.1)) which MODIS C004 uses to estimate the surface reflectance in the visible channels (rho(0.47) = rho*(2.1)/ 4, rho(0.66) = rho*(2.1)/ 2). The large errors in AOD (Delta tau(0.66) > 0.3) are found to be associated with the higher values of rho*(2.1) (0.18 to 0.25), where the uncertainty in the ratios of reflectance is large (Delta rho(0.66) +/- 0.04, Delta rho(0.47) +/- 0.02). This could have resulted in lower surface reflectance, higher aerosol path radiance and thus lead to overestimation in AOD. While MODIS-derived AFMF has binary distribution (1 or 0) with too low (AFMF < 0.2) during dust-loading period, and similar to 1 for the rest of the retrievals, AERONET showed range of values (0.4 to 0.9). The errors in tau(0.66) were also high in the scattering angle range 110 degrees - 140 degrees, where the optical effects of nonspherical dust particles are different from that of spherical particles.

High contrast imaging and thickness determination of graphene with in-column secondary electron microscopy

We report a new method for quantitative estimation of graphene layer thicknesses using high contrast imaging of graphene films on insulating substrates with a scanning electron microscope. By detecting the attenuation of secondary electrons emitted from the substrate with an in-column low-energy electron detector, we have achieved very high thickness-dependent contrast that allows quantitative estimation of thickness up to several graphene layers. The nanometer scale spatial resolution of the electron micrographs also allows a simple structural characterization scheme for graphene, which has been applied to identify faults, wrinkles, voids, and patches of multilayer growth in large-area chemical vapor deposited graphene. We have discussed the factors, such as differential surface charging and electron beam induced current, that affect the contrast of graphene images in detail. (C) 2011 American Institute of Physics. doi:10.1063/1.3608062]

High-resolution restoration of 3D structures from widefield images with extreme low signal-to-noise-ratio

Four-dimensional fluorescence microscopy-which records 3D image information as a function of time-provides an unbiased way of tracking dynamic behavior of subcellular components in living samples and capturing key events in complex macromolecular processes. Unfortunately, the combination of phototoxicity and photobleaching can severely limit the density or duration of sampling, thereby limiting the biological information that can be obtained. Although widefield microscopy provides a very light-efficient way of imaging, obtaining high-quality reconstructions requires deconvolution to remove optical aberrations. Unfortunately, most deconvolution methods perform very poorly at low signal-to-noise ratios, thereby requiring moderate photon doses to obtain acceptable resolution. We present a unique deconvolution method that combines an entropy-based regularization function with kernels that can exploit general spatial characteristics of the fluorescence image to push the required dose to extreme low levels, resulting in an enabling technology for high-resolution in vivo biological imaging.

High resolution cortical bone thickness measurement from clinical CT data.

The distribution of cortical bone in the proximal femur is believed to be a critical component in determining fracture resistance. Current CT technology is limited in its ability to measure cortical thickness, especially in the sub-millimetre range which lies within the point spread function of today's clinical scanners. In this paper, we present a novel technique that is capable of producing unbiased thickness estimates down to 0.3mm. The technique relies on a mathematical model of the anatomy and the imaging system, which is fitted to the data at a large number of sites around the proximal femur, producing around 17,000 independent thickness estimates per specimen. In a series of experiments on 16 cadaveric femurs, estimation errors were measured as -0.01+/-0.58mm (mean+/-1std.dev.) for cortical thicknesses in the range 0.3-4mm. This compares with 0.25+/-0.69mm for simple thresholding and 0.90+/-0.92mm for a variant of the 50% relative threshold method. In the clinically relevant sub-millimetre range, thresholding increasingly fails to detect the cortex at all, whereas the new technique continues to perform well. The many cortical thickness estimates can be displayed as a colour map painted onto the femoral surface. Computation of the surfaces and colour maps is largely automatic, requiring around 15min on a modest laptop computer.

A high-resolution atlas and statistical model of the human heart from multislice CT

Atlases and statistical models play important roles in the personalization and simulation of cardiac physiology. For the study of the heart, however, the construction of comprehensive atlases and spatio-temporal models is faced with a number of challenges, in particular the need to handle large and highly variable image datasets, the multi-region nature of the heart, and the presence of complex as well as small cardiovascular structures. In this paper, we present a detailed atlas and spatio-temporal statistical model of the human heart based on a large population of 3D+time multi-slice computed tomography sequences, and the framework for its construction. It uses spatial normalization based on nonrigid image registration to synthesize a population mean image and establish the spatial relationships between the mean and the subjects in the population. Temporal image registration is then applied to resolve each subject-specific cardiac motion and the resulting transformations are used to warp a surface mesh representation of the atlas to fit the images of the remaining cardiac phases in each subject. Subsequently, we demonstrate the construction of a spatio-temporal statistical model of shape such that the inter-subject and dynamic sources of variation are suitably separated. The framework is applied to a 3D+time data set of 138 subjects. The data is drawn from a variety of pathologies, which benefits its generalization to new subjects and physiological studies. The obtained level of detail and the extendability of the atlas present an advantage over most cardiac models published previously. © 1982-2012 IEEE.

A high-resolution soft x-ray spectrometer on the MAST tokamak

A curved crystal spectrometer in Johann configuration has been implemented on MAST to obtain values for electron temperature, ion temperature and toroidal velocity. The spectrometer is used to examine medium Z impurities in the soft x-ray region by utilising a Silicon (111) crystal, bent using a 4 pin bending jig, and a CCD detector (Deltat=8 ms). Helium-like Argon emissions from 3.94 to 4.00 Angstrom have been examined using a crystal radius of 859.77 mm. The Bragg angle and crystal radius can be adjusted with relative ease. The spectrometer can be scanned toroidally and poloidally to include a radial view which facilitates absolute velocity measurements by assuming radial velocity =0. Doppler shifts of 2.3x10(-5) Angstrom (1.8 kms(-1)) can be measured. The line of sight is shared with a neutral particle analyzer, which enables in situ ion temperature comparisons. Ray tracing has been used for the development of new imaging spectrometers, using spherical/toroidal crystals, planned to be implemented on MAST. (C) 2004 American Institute of Physics.

Ultra-high-resolution Observations of MHD Waves in Photospheric Magnetic Structures

Here we review the recent progress made in the detection, examination, characterisation and interpretation of oscillations manifesting in small-scale magnetic elements in the solar photosphere. This region of the Sun's atmosphere is especially dynamic, and importantly, permeated with an abundance of magnetic field concentrations. Such magnetic features can span diameters of hundreds to many tens of thousands of km, and are thus commonly referred to as the `building blocks' of the magnetic solar atmosphere. However, it is the smallest magnetic elements that have risen to the forefront of solar physics research in recent years. Structures, which include magnetic bright points, are often at the diffraction limit of even the largest of solar telescopes. Importantly, it is the improvements in facilities, instrumentation, imaging techniques and processing algorithms during recent years that have allowed researchers to examine the motions, dynamics and evolution of such features on the smallest spatial and temporal scales to date. It is clear that while these structures may demonstrate significant magnetic field strengths, their small sizes make them prone to the buffeting supplied by the ubiquitous surrounding convective plasma motions. Here, it is believed that magnetohydrodynamic waves can be induced, which propagate along the field lines, carrying energy upwards to the outermost extremities of the solar corona. Such wave phenomena can exist in a variety of guises, including fast and slow magneto-acoustic modes, in addition to Alfven waves. Coupled with rapid advancements in magnetohydrodynamic wave theory, we are now in an ideal position to thoroughly investigate how wave motion is generated in the solar photosphere, which oscillatory modes are most prevalent, and the role that these waves play in supplying energy to various layers of the solar atmosphere.

Analysis of the esophagogastric junction using the 3D high resolution manometry

Contexte & Objectifs : La manométrie perfusée conventionnelle et la manométrie haute résolution (HRM) ont permis le développement d’une variété de paramètres pour mieux comprendre la motilité de l'œsophage et quantifier les caractéristiques de la jonction œsophago-gastrique (JOG). Cependant, l'anatomie de la JOG est complexe et les enregistrements de manométrie détectent à la fois la pression des structures intrinsèques et des structures extrinsèques à l'œsophage. Ces différents composants ont des rôles distincts au niveau de la JOG. Les pressions dominantes ainsi détectées au niveau de la JOG sont attribuables au sphincter œsophagien inférieur (SOI) et aux piliers du diaphragme (CD), mais aucune des technologies manométriques actuelles n’est capable de distinguer ces différents composants de la JOG. Lorsqu’on analyse les caractéristiques de la JOG au repos, celle ci se comporte avant tout comme une barrière antireflux. Les paramètres manométriques les plus couramment utilisés dans ce but sont la longueur de la JOG et le point d’inversion respiratoire (RIP), défini comme le lieu où le pic de la courbe de pression inspiratoire change de positif (dans l’abdomen) à négatif (dans le thorax), lors de la classique manœuvre de « pull-through ». Cependant, l'importance de ces mesures reste marginale comme en témoigne une récente prise de position de l’American Gastroenterology Association Institute (AGAI) (1) qui concluait que « le rôle actuel de la manométrie dans le reflux gastro-œsophagien (RGO) est d'exclure les troubles moteurs comme cause des symptômes présentés par la patient ». Lors de la déglutition, la mesure objective de la relaxation de la JOG est la pression de relaxation intégrée (IRP), qui permet de faire la distinction entre une relaxation normale et une relaxation anormale de la JOG. Toutefois, puisque la HRM utilise des pressions moyennes à chaque niveau de capteurs, certaines études de manométrie laissent suggérer qu’il existe une zone de haute pression persistante au niveau de la JOG même si un transit est mis en évidence en vidéofluoroscopie. Récemment, la manométrie haute résolution « 3D » (3D-HRM) a été développée (Given Imaging, Duluth, GA) avec le potentiel de simplifier l'évaluation de la morphologie et de la physiologie de la JOG. Le segment « 3D » de ce cathéter de HRM permet l'enregistrement de la pression à la fois de façon axiale et radiale tout en maintenant une position fixe de la sonde, et évitant ainsi la manœuvre de « pull-through ». Par conséquent, la 3D-HRM devrait permettre la mesure de paramètres importants de la JOG tels que sa longueur et le RIP. Les données extraites de l'enregistrement fait par 3D-HRM permettraient également de différencier les signaux de pression attribuables au SOI des éléments qui l’entourent. De plus, l’enregistrement des pressions de façon radiaire permettrait d’enregistrer la pression minimale de chaque niveau de capteurs et devrait corriger cette zone de haute pression parfois persistante lors la déglutition. Ainsi, les objectifs de ce travail étaient: 1) de décrire la morphologie de la JOG au repos en tant que barrière antireflux, en comparant les mesures effectuées avec la 3D-HRM en temps réel, par rapport à celle simulées lors d’une manœuvre de « pull-through » et de déterminer quelles sont les signatures des pressions attribuables au SOI et au diaphragme; 2) d’évaluer la relaxation de la JOG pendant la déglutition en testant l'hypothèse selon laquelle la 3D-HRM permet le développement d’un nouveau paradigme (appelé « 3D eSleeve ») pour le calcul de l’IRP, fondé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteur de pression le long de la JOG. Ce nouveau paradigme sera comparé à une étude de transit en vidéofluoroscopie pour évaluer le gradient de pression à travers la JOG. Méthodes : Nous avons utilisé un cathéter 3D-HRM, qui incorpore un segment dit « 3D » de 9 cm au sein d’un cathéter HRM par ailleurs standard. Le segment 3D est composé de 12 niveaux (espacés de 7.5mm) de 8 capteurs de pression disposés radialement, soit un total de 96 capteurs. Neuf volontaires ont été étudiés au repos, où des enregistrements ont été effectués en temps réel et pendant une manœuvre de « pull-through » du segment 3D (mobilisation successive du cathéter de 5 mm, pour que le segment 3D se déplace le long de la JOG). Les mesures de la longueur du SOI et la détermination du RIP ont été réalisées. La longueur de la JOG a été mesurée lors du « pull-through » en utilisant 4 capteurs du segment 3D dispersés radialement et les marges de la JOG ont été définies par une augmentation de la pression de 2 mmHg par rapport à la pression gastrique ou de l’œsophage. Pour le calcul en temps réel, les limites distale et proximale de la JOG ont été définies par une augmentation de pression circonférentielle de 2 mmHg par rapport à la pression de l'estomac. Le RIP a été déterminée, A) dans le mode de tracé conventionnel avec la méthode du « pull-through » [le RIP est la valeur moyenne de 4 mesures] et B) en position fixe, dans le mode de représentation topographique de la pression de l’œsophage, en utilisant l’outil logiciel pour déterminer le point d'inversion de la pression (PIP). Pour l'étude de la relaxation de la JOG lors de la déglutition, 25 volontaires ont été étudiés et ont subi 3 études de manométrie (10 déglutitions de 5ml d’eau) en position couchée avec un cathéter HRM standard et un cathéter 3D-HRM. Avec la 3D-HRM, l’analyse a été effectuée une fois avec le segment 3D et une fois avec une partie non 3D du cathéter (capteurs standard de HRM). Ainsi, pour chaque individu, l'IRP a été calculée de quatre façons: 1) avec la méthode conventionnelle en utilisant le cathéter HRM standard, 2) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment standard du cathéter 3D-HRM, 3) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment « 3D » du cathéter 3D-HRM, et 4) avec le nouveau paradigme (3D eSleeve) qui recueille la pression minimale de chaque niveau de capteurs (segment 3D). Quatorze autres sujets ont subi une vidéofluoroscopie simultanée à l’étude de manométrie avec le cathéter 3D-HRM. Les données de pression ont été exportés vers MATLAB ™ et quatre pressions ont été mesurées simultanément : 1) la pression du corps de l’œsophage, 2cm au-dessus de la JOG, 2) la pression intragastrique, 3) la pression radiale moyenne de la JOG (pression du eSleeve) et 4) la pression de la JOG en utilisant la pression minimale de chaque niveau de capteurs (pression du 3D eSleeve). Ces données ont permis de déterminer le temps permissif d'écoulement du bolus (FPT), caractérisé par la période au cours de laquelle un gradient de pression existe à travers la JOG (pression œsophagienne > pression de relaxation de la JOG > pression gastrique). La présence ou l'absence du bolus en vidéofluoroscopie et le FPT ont été codés avec des valeurs dichotomiques pour chaque période de 0,1 s. Nous avons alors calculé la sensibilité et la spécificité correspondant à la valeur du FPT pour la pression du eSleeve et pour la pression du 3D eSleeve, avec la vidéofluoroscopie pour référence. Résultats : Les enregistrements avec la 3D-HRM laissent suggérer que la longueur du sphincter évaluée avec la méthode du « pull-through » était grandement exagéré en incorporant dans la mesure du SOI les signaux de pression extrinsèques à l’œsophage, asymétriques et attribuables aux piliers du diaphragme et aux structures vasculaires. L’enregistrement en temps réel a permis de constater que les principaux constituants de la pression de la JOG au repos étaient attribuables au diaphragme. L’IRP calculé avec le nouveau paradigme 3D eSleeve était significativement inférieur à tous les autres calculs d'IRP avec une limite supérieure de la normale de 12 mmHg contre 17 mmHg pour l’IRP calculé avec la HRM standard. La sensibilité (0,78) et la spécificité (0,88) du 3D eSleeve étaient meilleurs que le eSleeve standard (0,55 et 0,85 respectivement) pour prédire le FPT par rapport à la vidéofluoroscopie. Discussion et conclusion : Nos observations suggèrent que la 3D-HRM permet l'enregistrement en temps réel des attributs de la JOG, facilitant l'analyse des constituants responsables de sa fonction au repos en tant que barrière antireflux. La résolution spatiale axiale et radiale du segment « 3D » pourrait permettre de poursuivre cette étude pour quantifier les signaux de pression de la JOG attribuable au SOI et aux structures extrinsèques (diaphragme et artéfacts vasculaires). Ces attributs du cathéter 3D-HRM suggèrent qu'il s'agit d'un nouvel outil prometteur pour l'étude de la physiopathologie du RGO. Au cours de la déglutition, nous avons évalué la faisabilité d’améliorer la mesure de l’IRP en utilisant ce nouveau cathéter de manométrie 3D avec un nouveau paradigme (3D eSleeve) basé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteurs de pression. Nos résultats suggèrent que cette approche est plus précise que celle de la manométrie haute résolution standard. La 3D-HRM devrait certainement améliorer la précision des mesures de relaxation de la JOG et cela devrait avoir un impact sur la recherche pour modéliser la JOG au cours de la déglutition et dans le RGO.