นักชีวฟิสิกส์นำเราเข้าใกล้กล้องจุลทรรศน์อัจฉริยะมากขึ้น

เมื่อบางคนต้องการสังเกตการณ์แบคทีเรียที่แบ่งตัวจากตัวอย่างแบคทีเรียที่มีชีวิต สิ่งต่างๆ อาจซับซ้อนเล็กน้อย พวกเขาอาจต้องอยู่ที่กล้องจุลทรรศน์ตลอดเวลาจนกว่าแบคทีเรียจะแบ่งตัว ซึ่งอาจใช้เวลาหลายชั่วโมง การตรวจจับด้วยตนเองและการควบคุมการเก็บภาพด้วยตนเองเป็นเรื่องที่พบได้ทั่วไปในสาขานี้

อีกวิธีหนึ่งคือการตั้งค่ากล้องจุลทรรศน์เพื่อถ่ายภาพโดยไม่เลือกและบ่อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่แสงมากเกินไปสามารถทำให้เกิดปัญหาได้ มันทำให้ฟลูออเรสเซนซ์จากตัวอย่างหมดเร็วขึ้น ซึ่งอาจทำลายตัวอย่างที่มีชีวิตก่อนเวลาอันควร ในเวลาเดียวกัน จะมีภาพที่ไม่จำเป็นจำนวนมากที่ถูกสร้างขึ้น และมีเพียงไม่กี่ภาพเท่านั้นที่มีภาพของแบคทีเรียที่แบ่งตัว

วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือการใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อตรวจจับเหตุการณ์ก่อนที่แบคทีเรียจะแบ่งตัว และใช้ข้อมูลนั้นเพื่อปรับปรุงซอฟต์แวร์ควบคุมกล้องจุลทรรศน์โดยอัตโนมัติ ซึ่งจะช่วยให้กล้องจุลทรรศน์สามารถถ่ายภาพแบคทีเรียที่แบ่งตัวได้มากขึ้น

การควบคุมกล้องจุลทรรศน์โดยอัตโนมัติ

เมื่อดูสามตัวเลือกเหล่านี้ ทีมนักชีวฟิสิกส์จาก Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ได้คิดค้นวิธีการควบคุมกล้องจุลทรรศน์โดยอัตโนมัติสำหรับการถ่ายภาพเหตุการณ์ทางชีววิทยาโดยละเอียด และในเวลาเดียวกัน วิธีนี้จะจำกัดความเครียดที่เกิดกับตัวอย่างด้วย เทคนิคใหม่นี้ขึ้นอยู่กับเครือข่ายประสาทเทียม และมันทำงานได้ทั้งสำหรับการแบ่งตัวของแบคทีเรียและแบ่งตัวของไมโตคอนเดรีย

ทีมงานได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยของตนใน Nature Methods

Suliana Manley เป็นหัวหน้านักวิจัยจากห้องปฏิบัติการชีวฟิสิกส์ทดลองของ EPFL

“กล้องจุลทรรศน์ที่ฉลาดคือเหมือนรถยนต์ที่ขับเคลื่อนเอง มันจำเป็นต้องประมวลผลข้อมูลบางประเภท รูปแบบที่ละเอียดอ่อนซึ่งมันจะตอบสนองด้วยการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรม” Manley กล่าว “โดยใช้เครือข่ายประสาทเทียม เราสามารถตรวจจับเหตุการณ์ที่ละเอียดอ่อนยิ่งขึ้นและใช้ข้อมูลนั้นเพื่อขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการถ่ายภาพ”

ทีมงานได้ค้นหาวิธีแก้ปัญหาในการตรวจจับการแบ่งตัวของไมโตคอนเดรีย ซึ่งยากกว่าการแบ่งตัวของแบคทีเรียบางชนิด การแบ่งตัวของไมโตคอนเดรียเกิดขึ้นไม่บ่อย จึงคาดเดาได้ยาก และอาจเกิดขึ้นได้แทบทุกจุดในเครือข่ายไมโตคอนเดรียเมื่อใดก็ได้

การฝึกเครือข่ายประสาทเทียม

ทีมงานได้ฝึกเครือข่ายประสาทเทียมเพื่อตรวจจับการคอดแคบของไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของไมโตคอนเดรียที่นำไปสู่การแบ่งตัว พวกเขายังได้สังเกตโปรตีนที่มีระดับสูงในบริเวณการแบ่งตัว

กล้องจุลทรรศน์จะเปลี่ยนไปสู่การถ่ายภาพด้วยความเร็วสูงเมื่อการคอดแคบและระดับโปรตีนสูง ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายภาพการแบ่งตัวได้มากขึ้น แต่เมื่อระดับต่ำ กล้องจุลทรรศน์จะเปลี่ยนไปสู่การถ่ายภาพด้วยความเร็วต่ำ ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงการทำให้ตัวอย่างเสียหายจากแสงมากเกินไป

กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ที่ฉลาดเช่นนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตตัวอย่างได้นานกว่าการถ่ายภาพด้วยความเร็วสูงมาตรฐาน ตัวอย่างได้รับความเครียดมากกว่าการถ่ายภาพด้วยความเร็วต่ำมาตรฐาน แต่ทีมงานสามารถได้รับข้อมูลที่มีความหมายมากขึ้น

“ความสามารถของกล้องจุลทรรศน์ที่ฉลาดรวมถึงการวัดสิ่งที่การถ่ายภาพมาตรฐานจะพลาด” Manley อธิบาย “เราสามารถตรวจจับเหตุการณ์ได้มากขึ้น วัดการคอดแคบที่เล็กกว่า และติดตามการแบ่งตัวได้โดยละเอียดมากขึ้น”

ทีมงานกำลังทำให้เฟรมเวิร์กควบคุมมีให้ใช้เป็นปลั๊กอินโอเพนซอร์สสำหรับซอฟต์แวร์กล้องจุลทรรศน์แบบเปิด Micro-Manager พวกเขาต้องการให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ สามารถรวม AI เข้ากับกล้องจุลทรรศน์ของตนเองได้