10.000 veces más rápido que los métodos tradicionales
Un nuevo marco computacional descubre diseños experimentales en microscopía
A los investigadores humanos les lleva muchos años de trabajo descubrir nuevas técnicas de microscopía de superresolución. El número de configuraciones ópticas posibles de un microscopio -por ejemplo, dónde colocar los espejos o las lentes- es enorme. Investigadores del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) han desarrollado un marco de inteligencia artificial (IA) que descubre de forma autónoma nuevos diseños experimentales en microscopía. El marco, denominado XLuminA, realiza optimizaciones 10.000 veces más rápido que los métodos establecidos. El trabajo de los investigadores se ha publicado recientemente en "Nature Communications".
En la actualidad, la microscopía óptica es la más utilizada en las ciencias biológicas. El ingenio y la creatividad de los investigadores humanos han llevado al descubrimiento de métodos de superresolución (SR), que superan el límite clásico de difracción de la luz a unos 250 nm y permiten resolver la organización de las unidades funcionales más pequeñas de la vida celular. Tradicionalmente, la búsqueda de nuevas técnicas de microscopía se ha basado en la experiencia, la intuición y la creatividad humanas, lo que supone todo un reto dado el enorme número de configuraciones ópticas experimentales posibles. Por ejemplo, si una configuración óptica consta de sólo 10 elementos, elegidos entre 5 componentes diferentes como espejos, lentes o divisores de haz, ya existen más de 100 millones de configuraciones únicas. La complejidad de este espacio sugiere que pueden quedar muchas técnicas potentes por descubrir, y la intuición humana por sí sola podría no ser suficiente para encontrarlas. Aquí es donde las técnicas de exploración basadas en IA podrían ser de enorme utilidad, explorando este espacio de forma rápida e imparcial. "Los experimentos son nuestras ventanas al Universo, a las grandes y pequeñas escalas. Dado el enorme número de configuraciones experimentales posibles, es cuestionable que los investigadores humanos hayan descubierto ya todas las configuraciones excepcionales. Aquí es precisamente donde la inteligencia artificial puede ayudar", explica Mario Krenn, director del "Artificial Scientist Lab" del MPL.
Para afrontar este reto, los científicos del "Artificial Scientist Lab" unieron fuerzas con Leonhard Möckl, experto en microscopía de superresolución y jefe del grupo de investigación "Physical Glycoscience" del MPL. Juntos desarrollaron XLuminA, un eficaz marco de código abierto diseñado con el objetivo último de descubrir nuevos principios de diseño óptico. Los investigadores aprovechan sus capacidades centrándose especialmente en la microscopía SR. XLuminA funciona como un simulador óptico basado en inteligencia artificial capaz de explorar automáticamente todo el espacio de configuraciones ópticas posibles. Lo que distingue a XLuminA es su eficiencia: aprovecha técnicas computacionales avanzadas para evaluar diseños potenciales 10.000 veces más rápido que los métodos computacionales tradicionales. "XLuminA es el primer paso para aunar el descubrimiento asistido por inteligencia artificial y la microscopía de superresolución. En las últimas décadas, la microscopía de superresolución ha permitido obtener conocimientos revolucionarios sobre procesos fundamentales de la biología celular, y con XLuminA estoy convencido de que esta historia de éxitos se acelerará y nos traerá nuevos diseños con capacidades sin precedentes", añade Leonhard Möckl, jefe del grupo de "Glicociencia física" del MPL.
La primera autora del trabajo, Carla Rodríguez, junto con los demás miembros del equipo, validan su enfoque demostrando que XLuminA puede redescubrir de forma independiente tres técnicas de microscopía fundacionales. Empezando con configuraciones ópticas sencillas, el marco redescubrió con éxito un sistema utilizado para la ampliación de imágenes. A continuación, los investigadores abordaron retos más complejos, redescubriendo con éxito la microscopía STED (depleción por emisión estimulada), ganadora del Premio Nobel, y un método para lograr la SR mediante vórtices ópticos. Por último, los investigadores demostraron la capacidad de XLuminA para realizar auténticos descubrimientos. Los investigadores pidieron al marco que encontrara el mejor diseño de SR posible teniendo en cuenta los elementos ópticos disponibles. El marco descubrió de forma independiente una manera de integrar los principios físicos subyacentes de las técnicas de SR antes mencionadas (microscopía STED y el método de vórtices ópticos) en un único plano experimental del que no se había informado anteriormente. El rendimiento de este diseño supera las capacidades de cada técnica de SR por separado. "Cuando vi los primeros diseños ópticos que XLuminA había descubierto, supe que habíamos convertido con éxito una idea apasionante en una realidad. XLuminA abre el camino para explorar territorios completamente nuevos en microscopía, logrando una velocidad sin precedentes en el diseño óptico automatizado. Estoy increíblemente orgulloso de nuestro trabajo, sobre todo cuando pienso en cómo XLuminA podría ayudar a avanzar en nuestra comprensión del mundo. El futuro del descubrimiento científico automatizado en óptica es realmente apasionante", afirma Carla Rodríguez, autora principal del estudio y principal desarrolladora de XLuminA.
La naturaleza modular del marco permite adaptarlo fácilmente a distintos tipos de técnicas de microscopía e imagen. De cara al futuro, el equipo pretende incluir interacciones no lineales, dispersión de la luz e información temporal, lo que permitiría simular sistemas como iSCAT (microscopía de dispersión interferométrica), iluminación estructurada y microscopía de localización, entre muchos otros. El marco puede ser utilizado por otros grupos de investigación y adaptado a sus necesidades, lo que supondría una gran ventaja para las colaboraciones de investigación interdisciplinarias.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la industria de las ciencias biológicas en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de biotecnología, productos farmacéuticos y ciencias de la vida le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
