Moderne lichtmicroscopische technieken geven uiterst gedetailleerde inzichten in organen, maar de terabytes aan gegevens die ze produceren, zijn meestal bijna onmogelijk te verwerken. nieuwe software, ontwikkeld door een team onder leiding van MDC-wetenschapper Dr. Stephan Preibisch en nu gepresenteerd in Natuurmethoden , helpt onderzoekers deze stapels gegevens te begrijpen.

Het werkt bijna als een toverstaf. Met behulp van een paar chemische trucs en listen, wetenschappers zijn al een paar jaar in staat om grote structuren zoals muizenhersenen en menselijke organoïden transparant te maken. CLARITY is misschien wel de meest bekende van de vele verschillende technieken voor het opruimen van monsters, waarmee bijna elk studieobject bijna net zo transparant als water kan worden gemaakt. Dit stelt onderzoekers in staat om celstructuren te onderzoeken op manieren waar ze voorheen alleen maar van konden dromen.

En dat is niet alles. In 2015 werd een andere goocheltruc, expansiemicroscopie genaamd, gepresenteerd in het tijdschrift Wetenschap . Een onderzoeksteam van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge ontdekte dat het mogelijk was om ultradunne plakjes muishersenen uit te breiden tot bijna vijf keer hun oorspronkelijke volume. waardoor monsters nog gedetailleerder kunnen worden onderzocht.

De software brengt orders in de datachaos

"Met behulp van moderne lichtbladmicroscopen, die nu in veel laboratoria worden aangetroffen, grote monsters die met deze methoden zijn verwerkt, kunnen snel worden afgebeeld, " zegt Dr. Stephan Preibisch, hoofd van de onderzoeksgroep Microscopie, Beeldanalyse en modellering van zich ontwikkelende organismen bij MDC's Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB). "Het probleem, echter, is dat de procedure zulke grote hoeveelheden gegevens genereert - enkele terabytes - dat onderzoekers vaak moeite hebben om de gegevens te doorzoeken en te ordenen."

Om orde te scheppen in de chaos, Preibisch en zijn team hebben nu een softwareprogramma ontwikkeld dat na complexe reconstructie van de gegevens enigszins lijkt op Google Maps in 3D-modus. "Je krijgt niet alleen een overzicht van het grote geheel, maar kan ook inzoomen om specifieke structuren op de gewenste resolutie te onderzoeken, " legt Preibisch uit, die de software "BigStitcher" heeft gedoopt. Nutsvoorzieningen, het computerprogramma, die elke geïnteresseerde wetenschapper kan gebruiken, is gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmethoden .

Een team van twaalf onderzoekers uit Berlijn, München, het Verenigd Koninkrijk, en de Verenigde Staten waren betrokken bij de ontwikkeling. De twee hoofdauteurs van het artikel zijn David Hoerl, van Ludwig-Maximilians-Universitaet Muenchen, het Berlijnse Instituut voor Medische Systeembiologie (BIMSB) van de MDC, evenals de MDC-onderzoeker Dr. Fabio Rojas Rusak. De onderzoekers laten in hun paper zien dat algoritmen kunnen worden gebruikt om de gegevens die zijn verkregen met light-sheetmicroscopie zo te reconstrueren en te schalen dat een supercomputer overbodig wordt. "Onze software draait op elke standaard computer, ", zegt Preibisch. "Hierdoor kunnen de gegevens gemakkelijk worden gedeeld tussen onderzoeksteams."

Ook de datakwaliteit wordt bepaald

De ontwikkeling van BigStitcher begon zo'n tien jaar geleden. "In die tijd, Ik was nog steeds een Ph.D. student en dacht veel na over hoe je het beste met zeer grote hoeveelheden data om kon gaan, " herinnert Preibisch zich. "De kaders die we toen hebben gecreëerd, hebben ons geholpen een zeer actueel probleem met succes aan te pakken." natuurlijk, hij voegt toe, er zijn ook veel nieuwe algoritmen in de software verwerkt.

BigStitcher kan op het scherm de eerder afgebeelde monsters in elk gewenst detailniveau visualiseren, maar het kan ook veel meer. "De software beoordeelt automatisch de kwaliteit van de verkregen gegevens, ", zegt Preibisch. Dit is meestal beter in sommige delen van het object dat wordt bestudeerd dan in andere. "Soms, bijvoorbeeld, opruimen werkt niet zo goed in een bepaald gebied, wat betekent dat daar minder details worden vastgelegd, " legt de MDC-onderzoeker uit.

"Hoe helderder een bepaalde regio van, zeggen, een muizenbrein of een menselijk orgaan wordt weergegeven op het scherm, hoe hoger de validiteit en betrouwbaarheid van de verkregen gegevens, " zegt Preibisch, beschrijft deze extra functie van zijn software. En omdat zelfs de beste zuiveringstechnieken nooit 100 procent transparantie van het monster bereiken, met de software kunnen gebruikers het door de microscoop vastgelegde beeld in elke richting op het scherm draaien en draaien. Het is dus mogelijk om het monster vanuit elke hoek te bekijken. "Dit is weer een nieuwe functie van onze software, ’ zegt Preibisch.

Iedereen kan de software gratis downloaden

Met de zoomfunctie kunnen biologen antwoorden vinden op veel vragen, zoals:Waar in de hersenen vindt momenteel celdeling plaats? Waar komt RNA tot expressie? Of waar eindigen bepaalde neuronale projecties? "Om dit allemaal uit te zoeken, het is eerst nodig om een ​​overzicht te krijgen van het gehele studieobject, maar om vervolgens in te kunnen zoomen om de kleinste details in hoge resolutie te zien, " legt Preibisch uit. Daarom, veel laboratoria hebben tegenwoordig behoefte aan software zoals BigStitcher. Het programma wordt gedistribueerd binnen het Fiji-framework, waar elke geïnteresseerde wetenschapper de plug-in gratis kan downloaden en gebruiken.