10 000 fois plus rapide que les méthodes traditionnelles
Un nouveau cadre informatique permet de découvrir des plans d'expérience en microscopie
Pour les chercheurs humains, il faut de nombreuses années de travail pour découvrir de nouvelles techniques de microscopie à super-résolution. Le nombre de configurations optiques possibles d'un microscope - par exemple, l'emplacement des miroirs ou des lentilles - est énorme. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) ont mis au point un cadre d'intelligence artificielle (IA) qui découvre de manière autonome de nouvelles conceptions expérimentales en microscopie. Ce cadre, appelé XLuminA, effectue des optimisations 10 000 fois plus rapidement que les méthodes bien établies. Les travaux des chercheurs ont été publiés récemment dans "Nature Communications".
Actuellement, la microscopie optique est la plus utilisée dans les sciences biologiques. L'ingéniosité et la créativité des chercheurs humains ont conduit à la découverte de méthodes de super-résolution (SR), qui surmontent la limite classique de diffraction de la lumière à environ 250 nm et permettent de résoudre l'organisation des plus petites unités fonctionnelles de la vie cellulaire. La recherche de nouvelles techniques de microscopie repose traditionnellement sur l'expérience humaine, l'intuition et la créativité - une approche difficile étant donné le grand nombre de configurations optiques expérimentales possibles. Par exemple, si un dispositif optique ne comprend que 10 éléments, choisis parmi 5 composants différents tels que des miroirs, des lentilles ou des séparateurs de faisceau, il existe déjà plus de 100 millions de configurations uniques. La complexité de cet espace suggère que de nombreuses techniques puissantes pourraient rester à découvrir, et l'intuition humaine pourrait ne pas suffire à les trouver. C'est là que les techniques d'exploration basées sur l'IA pourraient s'avérer extrêmement utiles, en explorant cet espace de manière rapide et impartiale. "Les expériences sont nos fenêtres sur l'univers, sur les petites et les grandes échelles. Étant donné le très grand nombre de configurations expérimentales possibles, on peut se demander si les chercheurs humains ont déjà découvert toutes les configurations exceptionnelles. C'est précisément là que l'intelligence artificielle peut nous aider", explique Mario Krenn, responsable du "Laboratoire de science artificielle" au MPL.
Pour relever ce défi, les scientifiques du "Artificial Scientist Lab" ont uni leurs forces à celles de Leonhard Möckl, expert en microscopie à super-résolution et chef du groupe de recherche "Physical Glycoscience" au MPL. Ensemble, ils ont développé XLuminA, un logiciel libre efficace conçu dans le but ultime de découvrir de nouveaux principes de conception optique. Les chercheurs exploitent ses capacités en mettant l'accent sur la microscopie SR. XLuminA fonctionne comme un simulateur optique piloté par l'IA qui peut explorer automatiquement tout l'espace des configurations optiques possibles. XLuminA se distingue par son efficacité : il exploite des techniques de calcul avancées pour évaluer des conceptions potentielles 10 000 fois plus rapidement que les méthodes de calcul traditionnelles. "XLuminA est la première étape d'un rapprochement entre la découverte assistée par l'IA et la microscopie à super-résolution. La microscopie à super-résolution a permis des découvertes révolutionnaires dans les processus fondamentaux de la biologie cellulaire au cours des dernières décennies - et avec XLuminA, je suis convaincu que cette histoire de succès sera accélérée, nous apportant de nouvelles conceptions avec des capacités sans précédent", ajoute Leonhard Möckl, chef du groupe "Physical Glycoscience" au MPL.
Carla Rodríguez, premier auteur de l'ouvrage, et les autres membres de l'équipe ont validé leur approche en démontrant que XLuminA pouvait redécouvrir indépendamment trois techniques de microscopie fondamentales. En commençant par des configurations optiques simples, le cadre a redécouvert avec succès un système utilisé pour l'agrandissement des images. Les chercheurs se sont ensuite attaqués à des défis plus complexes, redécouvrant avec succès la microscopie STED (stimulated emission depletion), lauréate du prix Nobel, et une méthode permettant d'obtenir des RS à l'aide de vortex optiques. Enfin, les chercheurs ont démontré la capacité de XLuminA à faire de véritables découvertes. Les chercheurs ont demandé au cadre de trouver la meilleure conception possible de la RS en fonction des éléments optiques disponibles. Le cadre a découvert de manière indépendante un moyen d'intégrer les principes physiques sous-jacents des techniques de RS susmentionnées (microscopie STED et méthode des vortex optiques) dans un plan expérimental unique et inédit. Les performances de cette conception dépassent les capacités de chacune des techniques de RS. "Lorsque j'ai vu les premières conceptions optiques découvertes par XLuminA, j'ai su que nous avions réussi à transformer une idée passionnante en réalité. XLuminA ouvre la voie à l'exploration de territoires complètement nouveaux dans le domaine de la microscopie, en atteignant une vitesse sans précédent dans la conception optique automatisée. Je suis incroyablement fier de notre travail, surtout quand je pense à la façon dont XLuminA pourrait contribuer à faire progresser notre compréhension du monde. L'avenir de la découverte scientifique automatisée en optique est vraiment passionnant", déclare Carla Rodríguez, auteur principal de l'étude et principal développeur de XLuminA.
La nature modulaire du cadre permet de l'adapter facilement à différents types de techniques de microscopie et d'imagerie. À l'avenir, l'équipe souhaite inclure les interactions non linéaires, la diffusion de la lumière et les informations temporelles, ce qui permettrait de simuler des systèmes tels que l'iSCAT (microscopie de diffusion interférométrique), l'illumination structurée et la microscopie de localisation, parmi beaucoup d'autres. Le cadre peut être utilisé par d'autres groupes de recherche et adapté à leurs besoins, ce qui serait très avantageux pour les collaborations de recherche interdisciplinaires.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités du secteur des sciences de la vie
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée aux biotechnologies, au secteur pharmaceutique et aux sciences de la vie vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
