کشف طرح‌های آزمایش میکروسکوپی با سرعتی ۱۰ هزار برابر بیشتر!

کشف تکنیک‌های میکروسکوپی با هوش مصنوعی

برای پژوهشگران انسانی، سال‌ها تلاش لازم است تا تکنیک‌های جدید میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده کشف شوند. 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 ۱۰,۰۰۰ برابر سریع‌تر از روش‌های سنتی انجام می‌دهد. کار پژوهشگران به‌تازگی در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

کاربردهای میکروسکوپی نوری

در حال حاضر، میکروسکوپی نوری به‌طور گسترده‌ای در علوم زیستی استفاده می‌شود. نبوغ و خلاقیت پژوهشگران انسانی منجر به کشف روش‌های بسیار وضوح (SR) شده است که محدودیت کلاسیک پراش نور را در حدود ۲۵۰ نانومتر پشت سر می‌گذارد و به ما این امکان را می‌دهد که سازمان کوچک‌ترین واحدهای عملکردی حیات سلولی را شناسایی کنیم. 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.

به‌عنوان مثال، اگر یک تنظیم نوری شامل فقط ۱۰ عنصر باشد که از ۵ مؤلفه مختلف مانند آینه‌ها، لنزها یا تقسیم‌کننده‌های پرتو انتخاب شده باشد، در این صورت بیش از ۱۰۰ میلیون پیکربندی منحصر به فرد وجود دارد. پیچیدگی این فضا نشان می‌دهد که بسیاری از تکنیک‌های قدرتمند ممکن است هنوز کشف نشده باشند و تنها اتکا به شهود انسانی کافی نیست. اینجاست که تکنیک‌های اکتشافی مبتنی بر هوش مصنوعی می‌توانند به شدت مفید واقع شوند و این فضا را به‌طور سریع و بدون تعصب بررسی کنند.

نقش هوش مصنوعی در کشف

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

برای مقابله با این چالش، دانشمندان “آزمایشگاه دانشمند مصنوعی” با لئونارد موکل، کارشناس حوزه میکروسکوپی فوق‌العاده و رئیس گروه تحقیقاتی “گلیکوساینس فیزیکی” در MPL همکاری کردند. آن‌ها با هم XLuminA را توسعه دادند، یک چارچوب کارآمد و متن‌باز که با هدف نهایی کشف اصول طراحی نوری جدید ایجاد شده است. پژوهشگران از قابلیت‌های این چارچوب 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 بهره می‌برد تا طراحی‌های بالقوه را ۱۰,۰۰۰ برابر سریع‌تر از روش‌های محاسباتی سنتی ارزیابی کند. لئونارد موکل، رئیس گروه گلیکوساینس فیزیکی در MPL، می‌گوید: “XLuminA اولین قدم به سوی ترکیب کشف با کمک هوش مصنوعی و میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده است. میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده در چند دهه گذشته بینش‌های انقلابی در فرآیندهای بنیادی زیست‌شناسی سلولی ایجاد کرده است و من مطمئن هستم که با XLuminA، این داستان موفقیت تسریع خواهد شد و طراحی‌های جدیدی با قابلیت‌های بی‌سابقه به ما ارائه خواهد شد.”

کارلا رودریگز، نویسنده اصلی این تحقیق، به همراه سایر اعضای تیم، رویکرد خود را با نشان دادن این که XLuminA می‌تواند به‌طور مستقل سه تکنیک بنیادی میکروسکوپی را دوباره کشف کند، تأیید کردند. این سیستم با شروع از پیکربندی‌های نوری ساده، موفق به دوباره کشف سیستمی برای بزرگ‌نمایی تصاویر شد. سپس محققان به چالش‌های پیچیده‌تر پرداخته و به‌طور موفقیت‌آمیز میکروسکوپی STED (تحریک انتشار تخلیه) که برنده جایزه نوبل است و روشی برای دستیابی به SR با استفاده از وورتکس‌های نوری را دوباره کشف کردند.

در نهایت، محققان توانایی XLuminA را برای کشف واقعی نشان دادند. آنها از این سیستم خواستند تا بهترین طراحی SR ممکن را با توجه به عناصر نوری موجود پیدا کند. این سیستم به‌طور مستقل روشی را برای ادغام اصول فیزیکی موجود در تکنیک‌های SR ذکر شده (میکروسکوپ STED و روش وورتکس نوری) به یک طرح آزمایشی جدید که قبلاً گزارش نشده بود، کشف کرد. عملکرد این طراحی از قابلیت‌های هر یک از تکنیک‌های SR فردی فراتر می‌رود.

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

قابلیت‌های سازگار XLuminA

طبیعت ماژولار این سیستم به آن اجازه می‌دهد به راحتی برای انواع مختلف میکروسکوپی و تکنیک‌های تصویربرداری سازگار شود. به‌دنبال این، تیم قصد دارد تعاملات غیرخطی، پراکندگی نور و اطلاعات زمانی را شامل کند که این امکان را فراهم می‌آورد تا سیستم‌هایی مانند iSCAT (میکروسکوپی پراکندگی تداخلی)، روشنایی ساختاری و میکروسکوپی محلی‌سازی را شبیه‌سازی کند، در کنار بسیاری دیگر. این سیستم می‌تواند توسط گروه‌های تحقیقاتی دیگر استفاده شود و به نیازهای آنها سفارشی‌سازی شود که این مزیت بزرگی برای همکاری‌های تحقیقاتی بین‌رشته‌ای خواهد بود.