هوش مصنوعی رازهای میکروسکوپ را فاش کرد: انقلاب جدید در علم!

کشف روش‌های نوین میکروسکوپی با کمک هوش مصنوعی

سال‌ها زمان می‌برد تا پژوهشگران بتوانند تکنیک‌های نوین میکروسکوپی با وضوح بسیار بالا را ابداع کنند. فضای ترکیب‌های مختلف نوری در یک میکروسکوپ، مثل نحوه‌ی قرارگیری آینه‌ها و عدسی‌ها، بسیار وسیع است. دانشمندان مؤسسه‌ی ماکس پلانک برای علم نور (MPL) یک سیستم هوش مصنوعی (AI) طراحی کرده‌اند که می‌تواند به شکل خودکار نقشه‌های جدیدی در میکروسکوپی را کشف کند. اسم این سیستم XLuminA است و بهینه‌سازی‌ها را 10,000 برابر سریع‌تر از روش‌های معمول انجام می‌دهد. نتیجه‌ی این پژوهش اخیرا در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است.

کاربردهای گسترده‌ی میکروسکوپی نوری

امروزه میکروسکوپی نوری در رشته‌های علوم زیستی استفاده‌های زیادی دارد. نبوغ و خلاقیت پژوهشگران منجر به کشف روش‌های فوق‌العاده با وضوح زیاد (SR) شده است که محدودیت کلاسیک پراش نور (حدود ۲۵۰ نانومتر) را پشت سر می‌گذارد و به ما این امکان را می‌دهد تا ساختار ریزترین واحدهای فعال حیات سلولی را شناسایی کنیم. کشف تکنیک‌های جدید میکروسکوپی به طور سنتی به تجربه‌، شهود و قدرت خلاقیت پژوهشگران وابسته بوده است. این رویکرد، با توجه به حجم بسیار زیاد ترکیب‌های نوری قابل آزمایش، بسیار سخت است.

به عنوان مثال، اگر یک تنظیم نوری فقط شامل 10 عنصر باشد که از 5 جزء مختلف مثل آینه‌ها، عدسی‌ها یا جداکننده‌های پرتو انتخاب شده باشند، در این حالت بیش از صد میلیون ترکیب منحصر به فرد وجود دارد. پیچیدگی این فضا نشان می‌دهد که ممکن است بسیاری از تکنیک‌های قوی هنوز کشف نشده باشند و فقط تکیه بر حدس‌های انسانی کافی نیست. اینجاست که تکنیک‌های اکتشافی مبتنی بر هوش مصنوعی می‌توانند بسیار مفید باشند و این فضا را با سرعت و بدون هیچ پیش‌فرضی بررسی کنند.

نقش هوش مصنوعی در پیشرفت علم

ماریو کرن – مدیر “آزمایشگاه دانشمند مصنوعی” در MPL – می‌گوید: “آزمایش‌ها پنجره‌های ما به جهان هستند، چه در اندازه‌های بزرگ و چه کوچک. با توجه به تعداد بسیار زیاد چینش آزمایشگاهی ممکن، این سوال پیش می‌آید که آیا پژوهشگران همه‌ی تنظیمات عالی را پیدا کرده‌اند یا نه. این دقیقاً همان جایی است که هوش مصنوعی می‌تواند کمک کند.”

برای حل این مشکل، دانشمندان “آزمایشگاه دانشمند مصنوعی” با همکاری لئونارد موکل، متخصص حوزه‌ی میکروسکوپی فوق‌العاده و مدیر گروه تحقیقاتی “گلیکوساینس فیزیکی” در MPL، XLuminA را ساختند. XLuminA یک سیستم کارآمد و متن باز است که با هدف اصلی کشف اصول جدید طراحی نوری توسعه یافته است. پژوهشگران از توانایی‌های این سیستم با تمرکز زیاد بر میکروسکوپی SR استفاده می‌کنند. XLuminA به عنوان یک شبیه‌ساز نوری مبتنی بر هوش مصنوعی عمل می‌کند که می‌تواند به شکل خودکار کل فضای ترکیب‌های احتمالی نوری را جستجو کند.

ویژگی‌های منحصربه‌فرد XLuminA

آنچه XLuminA را متفاوت می‌کند، سرعت و کارایی آن است: این سیستم از روش‌های محاسباتی پیشرفته استفاده می‌کند تا طرح‌های احتمالی را 10,000 برابر سریع‌تر از روش‌های محاسباتی سنتی ارزیابی کند. لئونارد موکل، مدیر گروه گلیکوساینس فیزیکی در MPL، می‌گوید: “XLuminA قدم اول به سمت ترکیب کشف با کمک هوش مصنوعی و میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده است. میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده در چند دهه‌ی اخیر، دیدگاه‌های انقلابی در فرآیندهای حیاتی زیست‌شناسی سلولی ایجاد کرده است و من مطمئنم که با XLuminA، این داستان موفقیت سرعت خواهد گرفت و طرح‌های جدیدی با ویژگی‌های بی‌سابقه به ما داده خواهد شد.”

کارلا رودریگز، نویسنده‌ی اصلی این پژوهش، به همراه همکارانش، با اثبات توانایی XLuminA در کشف مستقل سه تکنیک پایه‌ای میکروسکوپی، روش خود را تأیید کردند. این سیستم با شروع از ترکیب‎‌های نوری ساده، توانست یک سیستم برای بزرگ‌نمایی تصاویر را دوباره کشف کند. سپس پژوهشگران به چالش‌های پیچیده‌تری رفتند و با موفقیت میکروسکوپی STED (تحریک انتشار تخلیه) که برنده‌ی جایزه‌ی نوبل است و یک روش برای رسیدن به SR با استفاده از وورتکس‌های نوری را کشف کردند.

در پایان، پژوهشگران توانایی XLuminA را برای کشف ابداعات جدید نشان دادند. آن‌ها از این سیستم خواستند تا بهترین طراحی SR ممکن را با توجه به عناصر نوری موجود پیدا کند. این سیستم به طور مستقل روشی را برای ترکیب اصول فیزیکی موجود در تکنیک‌های SR ذکر شده (میکروسکوپ STED و روش وورتکس نوری) به یک طرح آزمایشگاهی جدید، که قبلاً جایی گزارش نشده بود، کشف کرد. عملکرد این طرح از توانایی‌های هر یک از تکنیک‌های SR به صورت جداگانه، فراتر می‌رود.

کارلا رودریگز، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه و توسعه‌دهنده‌ی اصلی XLuminA، می‌گوید: “وقتی اولین نقشه‌های نوری را که XLuminA کشف کرده بود دیدم، فهمیدم که ما موفق شده‌ایم یک ایده‌ی جذاب را به واقعیت تبدیل کنیم. XLuminA راه را برای کاوش در حوزه‌های کاملاً جدید در میکروسکوپی هموار می‌کند و سرعت بی‌سابقه‌ای در طراحی نوری خودکار به ارمغان می‌آورد. من به کار خودمان خیلی افتخار می‌کنم، خصوصاً وقتی به این فکر می‌کنم که XLuminA چگونه می‌تواند به توسعه‌ی درک ما از جهان کمک کند. آینده‌ی کشف علمی خودکار در عرصه‌ی اپتیک واقعاً هیجان‌انگیز است!”

قابلیت‌های تطبیق‌پذیر XLuminA

ماهیت ماژولار این سیستم به آن اجازه می‌دهد تا به‌آسانی با انواع مختلف میکروسکوپی و تکنیک‌های تصویربرداری تطبیق پیدا کند. در ادامه، گروه قصد دارد تعاملات غیرخطی، پراکندگی نور و اطلاعات زمانی را هم در نظر بگیرد. این امر امکان شبیه‌سازی سیستم‌هایی مثل iSCAT (میکروسکوپی پراکندگی تداخلی)، روشنایی ساختاری و میکروسکوپی موضعی را فراهم می‌آورد. این سیستم می‌تواند توسط سایر گروه‌های تحقیقاتی هم مورد استفاده قرار گیرد و با توجه به نیازهای آن‌ها شخصی‌سازی شود که این یک مزیت بزرگ برای همکاری‌های تحقیقاتی بین‌رشته‌ای به حساب می‌آید.

“`