کشف خودکار الگوهای میکروسکوپی: ۱۰۰۰۰ برابر سریع‌تر!

تحولی در میکروسکوپی با هوش مصنوعی

برای پژوهشگران انسانی، کشف تکنیک‌های جدید میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده سال‌ها کار و تلاش می‌طلبد. تعداد پیکربندی‌های نوری ممکن برای یک میکروسکوپ، مانند محل قرارگیری آینه‌ها یا لنزها، بسیار زیاد است. پژوهشگران در مؤسسه ماکس پلانک برای علم نور (MPL) یک چارچوب هوش مصنوعی (AI) توسعه داده‌اند که به‌طور خودکار طراحی‌های تجربی جدیدی در میکروسکوپی کشف می‌کند. این چارچوب که XLuminA نام دارد، بهینه‌سازی‌ها را ۱۰۰۰۰ برابر سریع‌تر از روش‌های سنتی انجام می‌دهد. کار پژوهشگران به‌تازگی در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

استفاده گسترده از میکروسکوپی نوری

در حال حاضر، میکروسکوپی نوری به‌طور گسترده‌ای در علوم زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نبوغ و خلاقیت پژوهشگران انسانی منجر به کشف روش‌های وضوح فوق‌العاده (SR) شده است که محدودیت کلاسیک پراش نور را در حدود ۲۵۰ نانومتر پشت سر می‌گذارد و امکان مشاهده سازمان کوچک‌ترین واحدهای عملکردی زندگی سلولی را فراهم می‌کند. کشف تکنیک‌های جدید میکروسکوپی به‌طور سنتی به تجربه، شهود و خلاقیت انسانی وابسته بوده است؛ رویکردی چالش‌برانگیز با توجه به تعداد بسیار زیاد پیکربندی‌های نوری تجربی ممکن.

چالش‌های کشف تکنیک‌های جدید

به‌عنوان مثال، اگر یک تنظیم نوری شامل تنها ۱۰ عنصر باشد که از ۵ مؤلفه مختلف مانند آینه‌ها، لنزها یا تقسیم‌کننده‌های پرتو انتخاب شوند، بیش از ۱۰۰ میلیون پیکربندی منحصر به فرد وجود دارد. پیچیدگی این فضا نشان می‌دهد که ممکن است بسیاری از تکنیک‌های قدرتمند هنوز کشف نشده باشند و شهود انسانی به‌تنهایی کافی نباشد. در اینجا، تکنیک‌های اکتشاف مبتنی بر هوش مصنوعی می‌توانند به‌طور قابل توجهی مفید باشند و این فضا را به‌سرعت و بدون تعصب بررسی کنند.

نقش هوش مصنوعی در کشف‌های جدید

ماریو کرن، رئیس «آزمایشگاه دانشمند مصنوعی» در MPL، توضیح می‌دهد: “آزمایش‌ها پنجره‌های ما به جهان هستند، به مقیاس‌های بزرگ و کوچک. با توجه به تعداد بسیار زیاد پیکربندی‌های تجربی ممکن، این سوال مطرح است که آیا پژوهشگران انسانی همه تنظیمات استثنایی را کشف کرده‌اند یا خیر. اینجاست که هوش مصنوعی می‌تواند کمک کند.”

توسعه XLuminA

برای مقابله با این چالش، دانشمندان «آزمایشگاه دانشمند مصنوعی» با لئونارد موکل، کارشناس حوزه میکروسکوپی وضوح فوق‌العاده و رئیس گروه تحقیقاتی «گلیکو ساینس فیزیکی» در MPL همکاری کردند. آنها با هم XLuminA را توسعه دادند؛ یک چارچوب منبع باز کارآمد که با هدف نهایی کشف اصول طراحی نوری جدید طراحی شده است. پژوهشگران از قابلیت‌های آن با تمرکز خاص بر میکروسکوپی SR بهره می‌برند. XLuminA به‌عنوان یک شبیه‌ساز نوری مبتنی بر هوش مصنوعی عمل می‌کند که می‌تواند به‌طور خودکار تمام فضای پیکربندی‌های نوری ممکن را بررسی کند.

ویژگی‌های منحصر به فرد XLuminA

آنچه XLuminA را متمایز می‌کند، کارایی آن است. این سیستم از تکنیک‌های محاسباتی پیشرفته استفاده می‌کند تا طراحی‌های بالقوه را ۱۰,۰۰۰ بار سریع‌تر از روش‌های محاسباتی سنتی ارزیابی کند. لئونارد موکل، سرپرست گروه “گلیکوساینس فیزیکی” در MPL، می‌گوید: “XLuminA اولین گام در جهت ترکیب کشف با کمک هوش مصنوعی و میکروسکوپی فوق‌دقت است. میکروسکوپی فوق‌دقت در چند دهه گذشته بینش‌های انقلابی را در فرآیندهای بنیادی بیولوژی سلولی فراهم کرده است و با وجود XLuminA، من مطمئن هستم که این داستان موفقیت تسریع خواهد شد و طراحی‌های جدیدی با قابلیت‌های بی‌سابقه به ما ارائه خواهد داد.”

کارلا رودریگز، نویسنده اصلی این تحقیق، به همراه سایر اعضای تیم، رویکرد خود را به‌طور مستقل با نشان دادن توانایی XLuminA برای دوباره کشف سه تکنیک بنیادی میکروسکوپی تأیید کردند. این چارچوب با شروع از پیکربندی‌های نوری ساده، موفق به دوباره کشف سیستمی برای بزرگ‌نمایی تصویر شد. سپس محققان به چالش‌های پیچیده‌تر پرداختند و با موفقیت میکروسکوپی STED (کاهش انتشار تحریکی) که برنده جایزه نوبل است و روشی برای دستیابی به SR با استفاده از گردابه‌های نوری را دوباره کشف کردند.

در نهایت، محققان توانایی XLuminA را برای کشف واقعیت نشان دادند. آن‌ها از این چارچوب خواستند بهترین طراحی SR ممکن را با توجه به عناصر نوری موجود پیدا کند. این چارچوب به‌طور مستقل راهی برای ادغام اصول فیزیکی زیرین از تکنیک‌های SR ذکر شده (میکروسکوپی STED و روش گردابه نوری) به یک طرح تجربی جدید که قبلاً گزارش نشده بود، کشف کرد. عملکرد این طراحی فراتر از قابلیت‌های هر یک از تکنیک‌های SR فردی است.

کارلا رودریگز، نویسنده اصلی این مطالعه و توسعه‌دهنده اصلی XLuminA، می‌گوید: “وقتی اولین طراحی‌های نوری که XLuminA کشف کرده بود را دیدم، می‌دانستم که موفق شده‌ایم یک ایده هیجان‌انگیز را به واقعیت تبدیل کنیم. XLuminA مسیر را برای کاوش در قلمروهای کاملاً جدید در میکروسکوپی هموار می‌کند و به سرعت بی‌سابقه‌ای در طراحی نوری خودکار دست می‌یابد. من به کار خودمان بسیار افتخار می‌کنم، به‌ویژه وقتی به این فکر می‌کنم که XLuminA چگونه می‌تواند به پیشرفت درک ما از جهان کمک کند. آینده کشف علمی خودکار در اپتیک واقعاً هیجان‌انگیز است!”

سازگاری و آینده XLuminA

طبیعت مدولار این چارچوب به آن اجازه می‌دهد به‌راحتی برای انواع مختلف میکروسکوپی و تکنیک‌های تصویربرداری سازگار شود. به‌دنبال آن، تیم قصد دارد تعاملات غیرخطی، پراکندگی نور و اطلاعات زمانی را شامل کند که امکان شبیه‌سازی سیستم‌هایی مانند iSCAT (میکروسکوپی پراکندگی تداخلی)، روشنایی ساختار یافته و میکروسکوپی محلی‌سازی را فراهم می‌آورد. این چارچوب می‌تواند توسط گروه‌های تحقیقاتی دیگر مورد استفاده قرار گیرد و به نیازهای آن‌ها سفارشی‌سازی شود که این برای همکاری‌های تحقیقاتی بین‌رشته‌ای بسیار مفید خواهد بود.