Система ИИ автоматически обнаруживает экспериментальные конструкции в микроскопии
Оптическая микроскопия в настоящее время является самым важным инструментом в биологических науках. Благодаря изобретательности и креативности исследователей появились методы сверхвысокого разрешения (SR), которые преодолевают классический дифракционный предел света — около 250 нм — и позволяют изучать сложную организацию мельчайших функциональных единиц клеточной жизни.
Традиционно открытие новых методов микроскопии во многом зависело от человеческого опыта, интуиции и креативности — сложная задача, учитывая огромное множество потенциальных экспериментальных оптических конфигураций.
Например, при оптической установке, состоящей всего из 10 элементов, выбранных из 5 различных компонентов, таких как зеркала, линзы или расщепители луча, может быть более 100 миллионов уникальных конфигураций.
Сложность этого сценария указывает на то, что многие эффективные методы все еще могут быть не открыты, что предполагает, что одной лишь человеческой интуиции может быть недостаточно. Это представляет значительную возможность для методов исследования, основанных на искусственном интеллекте (ИИ), которые могли бы быстро и беспристрастно перемещаться в этом сложном пространстве.
XLuminA — это первый шаг к объединению исследований с помощью ИИ и микроскопии сверхвысокого разрешения.
«Эксперименты — это наши окна во Вселенную, в большие и малые масштабы. Учитывая огромное количество возможных экспериментальных конфигураций, сомнительно, что исследователи-люди уже открыли все исключительные установки. Именно здесь искусственный интеллект может помочь», — объясняет Марио Кренн, руководитель «Лаборатории искусственного интеллекта» в MPL.
Для решения этой задачи ученые из «Artificial Scientist Lab» объединили усилия с Леонардом Мёклом, экспертом в области микроскопии сверхвысокого разрешения и руководителем исследовательской группы «Physical Glycoscience» в MPL. Вместе они разработали XLuminA — эффективный фреймворк с открытым исходным кодом, конечной целью которой является открытие новых принципов оптического проектирования.
Исследователи используют его возможности, особенно в области SR-микроскопии. XLuminA функционирует как оптический симулятор на основе ИИ, который может автономно оценивать весь спектр возможных оптических конфигураций. Отличительной чертой XLuminA является его замечательная эффективность: он использует передовые вычислительные методы для оценки потенциальных конструкций со скоростью в 10 000 раз выше, чем обычные вычислительные методы.
«XLuminA — это первый шаг к объединению исследований с помощью ИИ и микроскопии сверхвысокого разрешения. За последние десятилетия микроскопия сверхвысокого разрешения позволила добиться революционных открытий в области фундаментальных процессов в клеточной биологии, и я убежден, что с XLuminA эта история успеха ускорится, предоставив нам новые разработки с беспрецедентными возможностями», — говорит Леонард Мёкл.
Модульная конструкция фреймворка облегчает адаптацию к различным методам микроскопии и визуализации. В будущем команда ученых намерена включить нелинейные взаимодействия, рассеяние света и временные данные, что позволит моделировать такие системы, как iSCAT (интерферометрическая рассеивающая микроскопия), структурированное освещение и локализационная микроскопия.
Эту структуру могут использовать другие исследовательские группы и адаптировать ее под свои конкретные требования, что обеспечивает значительные преимущества для междисциплинарного исследовательского партнерства.
Исследование было опубликовано в Nature Communications.