ביופיזיקאים מביאים אותנו קרוב יותר למיקרוסקופים אינטליגנטיים

כאשר מישהו רוצה לקבל תצפיות מפורטות של חלוקת חיידקים מדגימה של חיידקים חיים, הדברים יכולים להיות מעט מסובכים. הם עלולים להיאלץ להישאר במיקרוסקופ ללא הפסקה עד שהחיידק יתחלק, מה שיכול לקחת שעות. גילוי ובקרת רכישה ידנית היא בעצם מאוד נפוצה בתחום.

אפשרות אחרת היא להגדיר את המיקרוסקופ לצלם תמונות ללא הבחנה וככל האפשר, אבל אור עודף יכול לגרום לבעיות. הוא מדלל את הפלואורסצנציה מהדגימה מהר יותר, מה שיכול להרוס בטרם עת דגימות חיות. בו-זמנית, תהיינה הרבה תמונות לא נחוצות, ורק מעטות מהן יכילו באמת תמונות של חיידקים מתחלקים.

פתרון נוסף הוא להשתמש בבינה מלאכותית (AI) כדי לגלות מבשרים לחלוקת חיידקים ולהשתמש בהם כדי לעדכן אוטומטית את תוכנת הבקרה של המיקרוסקופ, מה שיעזור לו לצלם יותר תמונות של החלוקה.

אוטומציה של בקרת מיקרוסקופ

בהסתכלות על שלוש האפשרויות השונות, צוות של ביופיזיקאים ב- Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) הגו אופן לאוטומט את בקרת המיקרוסקופ לצילום אירועים ביולוגיים בפרטים. ובו-זמנית, השיטה מגבילה מתח על הדגימה. הטכניקה החדשה מסתמכת על רשתות עצביות מלאכותיות, והיא עובדת עבור חלוקת תאי חיידקים וחלוקת מיטוכונדריה.

הצוות פרסם את ממצאיהם ב Nature Methods.

Suliana Manley היא חוקרת ראשית מ- EPFL’s Laboratory of Experimental Biophysics.

“מיקרוסקופ אינטליגנטי הוא מעין מכונית עצמאית. הוא צריך לעבד סוגים מסוימים של מידע, דפוסים עדינים שאליהם הוא עונה על ידי שינוי התנהגות,” אומרת Manley. “על ידי שימוש ברשת עצבית, אנו יכולים לגלות אירועים עדינים הרבה יותר ולהשתמש בהם כדי לנהוג שינויים במהירות רכישה.”

הצוות מצא תחילה פתרון לגילוי חלוקת מיטוכונדריה, שהיא קשה יותר מפתרון עבור חיידקים מסוימים. חלוקת מיטוכונדריה מתרחשת פחות תכופות, מה שאומר שהיא בלתי צפויה, והיא יכולה לקרות כמעט בכל מקום בתוך רשת המיטוכונדריה בכל רגע.

אימון הרשת העצבית

הצוות אימן את הרשת העצבית לחפש מיטוכונדריה מוגבלות, שהיא שינוי בצורה של מיטוכונדריה המוביל לחלוקה. הם גם צפו בחלבון הידוע להיות מעושר באתרי חלוקה.

המיקרוסקופ יעבור לצילום במהירות גבוהה כאשר שני המצבים ורמות החלבון גבוהות, מה שמאפשר לו לצלם הרבה תמונות של אירועי חלוקה. אבל כאשר הרמות נמוכות, המיקרוסקופ יעבור לצילום במהירות נמוכה, מה שעוזר למנוע החשפה של הדגימה לאור עודף.

מיקרוסקופ פלואורסצנט אינטליגנטי כזה מאפשר למדענים לצפות בדגימות לזמן ארוך יותר בהשוואה לצילום מהיר סטנדרטי. הדגימה הייתה יותר מודגשת בהשוואה לצילום איטי סטנדרטי, אבל הצוות יכול היה לקבל נתונים משמעותיים יותר.

“הפוטנציאל של מיקרוסקופיה אינטליגנטית כוללת מדידה של מה שרכישות סטנדרטיות היו מחמיצות,” מסבירה Manley. “אנו לוכדים יותר אירועים, מודדים היצרות קטנות יותר, ויכולים לעקוב אחר כל חלוקה בפרטים רבים יותר.”

הצוות כעת מעמיד את מסגרת הבקרה כתוסף קוד פתוח לתוכנת Micro-Manager הפתוחה. הם רוצים לאפשר למדענים אחרים לשלב AI במיקרוסקופים שלהם.