الحياة بدقة فائقة

طور باحثون في كليتي الهندسة الطبية الحيوية والهندسة الكهربائية في التخنيون طريقة للتصوير البيولوجي بدقة فائقة وبكفاءة غير مسبوقة

قامت مجموعة من الباحثين من التخنيون بتطوير تقنية مبتكرة للتصوير البيولوجي تعتمد على جزيئات مفردة. أجرى البحث الطالب إلياس نعمة وطالب ما بعد الدكتوراه الدكتور لوسيان فايس بتوجيه من الدكتور يوآف شيختمان من كلية الهندسة الطبية الحيوية والدكتور تومر ميخائيلي من كلية الهندسة الكهربائية في فيتربي. وتوفر التقنية الجديدة صورة دقيقة بدقة عالية وسرعة غير مسبوقة، دون الحاجة إلى معرفة مسبقة بشكل النموذج الذي يتم اختباره. وفي مقال نشر مؤخرا في مجلة أوبتيكا، يقدم أعضاء المجموعة نهجا مبتكرا يؤدي إلى إعادة بناء غير مسبوقة من حيث السرعة والدقة (الدقة الفائقة). وذلك من خلال التعلم العميق في الشبكات العصبية الاصطناعية ذات الطبقات.

الشبكات العصبية ذات الطبقات هي أنظمة تؤدي فهرسة سريعة وفعالة ودقيقة للبيانات. وعلى غرار الدماغ البشري، فهي تتكون من طبقات من الخلايا العصبية الاصطناعية (الخلايا العصبية). يسمح لهم هذا الهيكل الهرمي بتحليل المعلومات المعقدة وخاصة تحديد الأنماط في هذه المعلومات.

التكنولوجيا الجديدة التي تم تطويرها في التخنيون تنجح، من خلال هذه الشبكات، في إنتاج صورة كاملة ودقيقة مباشرة من المعلومات الأولية - المعلومات التي تأتي من الضوء المنبعث من النموذج المدروس بعد تشعيعه بالليزر. بالإضافة إلى أنها لا تتطلب أي مهارة خاصة من المستخدم ولا تتطلب أي معرفة مسبقة بخصوص شكل النموذج – وهذا على عكس الطرق السابقة.

تعد الدقة أو وضوح الصورة أحد أكبر التحديات في مجال البصريات. في المجهر الضوئي التقليدي، يتم تحديده بواسطة "حد الحيود" - وهو الحد الذي صاغه الفيزيائي الألماني إرنست كارل آبي في عام 1873. وأثبت آبي أن الدقة المحتملة للمجهر لا يمكن أن تتجاوز حدًا معينًا - ما يقرب من نصف طول المجهر. موجة خفيفة. بمعنى آخر، إذا استخدمنا طولًا موجيًا مرئيًا للعين البشرية، فلن نتمكن من فصل الأجسام الأصغر من 200-300 نانومتر تقريبًا. عندما يتعلق الأمر بالهياكل البيولوجية الصغيرة، فإن هذا القرار غير كاف.

منذ القرن التاسع عشر، تم تحسين الفحص المجهري الضوئي، وتمكنت التقنيات الجديدة من "تجاوز" قانون آبي وإنتاج دقة أعلى بكثير، تسمى "الدقة الفائقة". ومع ذلك، فإن الفحص المجهري للهياكل البيولوجية الصغيرة لا يزال يشكل تحديا كبيرا. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الموجات القصيرة، التي توفر دقة عالية، تحمل طاقة عالية وبالتالي قد تلحق الضرر بالخلية البيولوجية. علاوة على ذلك، عندما ندرس الخلايا الحية، فإن سرعة المسح أمر بالغ الأهمية بسبب ديناميكية الخلية الحية.

المجهر الموضعي، المعروف باسمي PALM وSTORM، هو تقنية جديدة تعتمد على وميض الجزيئات الفردية البعيدة عن بعضها البعض - بعيدة بما فيه الكفاية بحيث يمكن تحديد موضع كل منها. المعلومات التي تم الحصول عليها هي في الواقع سلسلة من الصور التي يتم تحليلها بالوسائل المحوسبة وترجمتها إلى صورة واحدة فائقة الدقة - دقة محسنة بحوالي 10 أضعاف دقة الفحص المجهري العادي. وقد أكسبت هذه الطريقة مخترعها، إيريك بيتزيج، جائزة نوبل في الكيمياء عام 2014، بالاشتراك مع مورنر وستيفان هيل.

لكن حتى هذه التقنية الجديدة تعاني من مشاكل تتعلق بعملية إعادة بناء الصورة الواحدة من الومضات العديدة المسجلة. على سبيل المثال، عندما تومض الجزيئات القريبة في نفس الوقت، تتداخل صورتها وتجعل من الصعب تحديد مواقعها الفردية. من أجل حل هذه المشكلة، تم تطوير طرق حسابية مختلفة على مر السنين، ولكنها تعاني من تعقيد حسابي عالٍ، ووقت تشغيل طويل جدًا، والحاجة إلى تحديد المعلمات المناسبة التي تجعل الأمر صعبًا على المستخدمين النهائيين الذين ليسوا خبراء في هذا المجال. تعقيدات الخوارزميات المستخدمة. ولذلك، فإن المقال الذي أعده باحثو التخنيون يمثل اختراقًا مهمًا للغاية في مجال الفحص المجهري.

تم إجراء البحث بدعم من مؤسسة جوجل للأبحاث، ومؤسسة زوكرمان، والتخنيون (من خلال رئاسة التقدم الوظيفي، ومؤسسة أوليندورف، ومؤسسة توب)، ومؤسسة ألون والمؤسسة الوطنية للعلوم. تبرعت شركة NVIDIA ببطاقة الرسوميات Titan Xp GPU المبتكرة لمجموعة البحث.
للمادة العلمية