Els biofísics ens apropen als microscopis intel·ligents

Sempre que algú vol obtenir observacions detallades de la divisió bacteriana d'una mostra de bacteris vius, les coses es poden complicar una mica. És possible que hagin de romandre al microscopi sense parar fins que el bacteri es divideixi, cosa que pot trigar hores. La detecció manual i el control de l'adquisició és realment molt habitual en el camp. 

Una altra opció és configurar el microscopi perquè prengui imatges indistintament i amb la màxima freqüència possible, però l'excés de llum pot causar problemes. Esgota la fluorescència de la mostra més ràpidament, cosa que pot destruir prematurament les mostres vives. Al mateix temps, es generarien moltes imatges innecessàries i només unes poques contindrien imatges de bacteris en divisió. 

Tot i això, una solució més és utilitzar la intel·ligència artificial (IA) per detectar precursors de la divisió bacteriana i utilitzar-los per actualitzar automàticament el programari de control del microscopi, cosa que l'ajudaria a prendre més fotos de la divisió. 

Control automatitzat del microscopi

Tenint en compte aquestes tres opcions diferents, un equip de biofísics de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha ideat una manera d'automatitzar el control del microscopi per obtenir imatges d'esdeveniments biològics en detall. I al mateix temps, el mètode limita l'estrès sobre la mostra. La nova tècnica es basa en xarxes neuronals artificials i funciona tant per a la divisió cel·lular bacteriana com per a la divisió mitocondrial. 

L’equip va publicar les seves troballes a Mètodes de la natura.  

Suliana Manley és investigadora principal del Laboratori de Biofísica Experimental de l'EPFL. 

"Un microscopi intel·ligent és com un cotxe autònom. Ha de processar certs tipus d'informació, patrons subtils als quals després respon canviant el seu comportament", diu Manley. "Mitjançant una xarxa neuronal, podem detectar esdeveniments molt més subtils i utilitzar-los per impulsar canvis en la velocitat d'adquisició".

L'equip va trobar per primera vegada una solució per detectar la divisió mitocondrial, que és més difícil que una solució per a certs bacteris. La divisió mitocondrial es produeix amb menys freqüència, és a dir, és impredictible i pot passar gairebé a qualsevol lloc de la xarxa mitocondrial en qualsevol moment. 

Formació de la Xarxa Neural

L'equip va entrenar la xarxa neuronal per buscar constriccions mitocondrials, que és un canvi en la forma dels mitocondris que condueix a la divisió. També van observar una proteïna coneguda per estar enriquida als llocs de divisió. 

El microscopi passarà a la imatge d'alta velocitat quan tant les constriccions com els nivells de proteïnes siguin alts, cosa que li permet capturar moltes imatges d'esdeveniments de divisió. Però quan els nivells són baixos, el microscopi canviarà a imatges a baixa velocitat, que ajuda a evitar exposar la mostra a una llum excessiva. 

Un microscopi fluorescent intel·ligent com aquest permet als científics observar mostres durant més temps en comparació amb la imatge ràpida estàndard. La mostra estava més estressada en comparació amb la imatge lenta estàndard, però l'equip podria obtenir dades més significatives. 

"El potencial de la microscòpia intel·ligent inclou mesurar quines adquisicions estàndard es perdrien", explica Manley. "Capturem més esdeveniments, mesurem constriccions més petites i podem seguir cada divisió amb més detall".

L'equip ara està posant a disposició el marc de control com a connector de codi obert per al programari de microscopi obert Micro-Manager. Volen permetre que altres científics integrin la IA als seus propis microscopis.