Zehntausendmal schneller als andere Methoden

Für Forscher ist es eine jahrelange Arbeit, neue superauflösende Mikroskopie-Techniken zu entdecken. Denn die Anzahl der möglichen optischen Konfigurationen eines Mikroskops – also die räumliche Anordnung von Linsen und Spiegeln – ist enorm. Wissenschaftler des MPI für die Physik des Lichts haben jetzt ein Framework für künstliche Intelligenz entwickelt, das selbstständig neue experimentelle Designs in der Mikroskopie entdeckt. Das Framework namens XLuminA führt Optimierungen zehntausendmal schneller durch als etablierte Methoden.

Derzeit wird die optische Mikroskopie am häufigsten in den Biowissenschaften eingesetzt. Der Einfallsreichtum und die Kreativität der Forscher haben zur Entdeckung von superhochauflösenden Methoden geführt, die die klassische Beugungsgrenze des Lichts überwinden. Diese „Super-resolution“-Technologie ermöglicht es, die Organisation der kleinsten funktionellen Einheiten des zellulären Lebens aufzulösen. Die Entwicklung neuer Mikroskopie-Techniken beruht traditionell auf menschlicher Erfahrung, Intuition und Kreativität – ein anspruchsvoller Ansatz angesichts der Vielzahl möglicher experimenteller optischer Konfigurationen.

Besteht beispielsweise ein optischer Aufbau aus nur zehn Elementen, die aus fünf verschiedenen Komponenten wie Spiegeln, Linsen oder Strahlteilern ausgewählt werden, gibt es bereits mehr als hundert Millionen einzigartige Konfigurationen. Die Komplexität dieses Raums lässt vermuten, dass viele leistungsstarke Techniken noch unentdeckt sind und die menschliche Intuition allein nicht ausreicht, um sie zu finden. Hier könnten KI-basierte Erkundungstechniken von enormem Nutzen sein, indem sie diesen Raum schnell und unvoreingenommen erkunden. XLuminA arbeitet als KI-gesteuerter optischer Simulator, der automatisch den gesamten Raum möglicher optischer Konfigurationen erkunden kann.

Das Team konnte zeigen, dass XLuminA drei grundlegende Mikroskopie-Techniken eigenständig wiederentdecken konnte. Ausgehend von einfachen optischen Konfigurationen entdeckte das Framework erfolgreich ein System zur Bildvergrößerung wieder. Die Forscher gingen dann komplexere Herausforderungen an und entdeckten erfolgreich die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete STED-Mikroskopie und eine Methode zur Erreichung von SR mithilfe optischer Wirbel wieder.

Schließlich demonstrierten die Forscher die Fähigkeit von XLuminA, echte Entdeckungen zu machen. Sie beauftragten das Framework, das bestmögliche SR-Design unter Berücksichtigung der verfügbaren optischen Elemente zu finden. Das Framework entdeckte eigenständig einen Weg, die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien der STED-Mikroskopie und er optischen Wirbelmethode in einem einzigen, bisher nicht berichteten experimentellen Design zu integrieren. Die Leistungsfähigkeit dieses Designs übertrifft die Fähigkeiten jeder einzelnen SR-Technik.

Der modulare Aufbau des Frameworks ermöglicht eine einfache Anpassung an verschiedene Arten von Mikroskopie- und Bildgebungsverfahren. Für die Zukunft plant das Team die Integration von nichtlinearen Wechselwirkungen, Lichtstreuung und Zeitinformation. Das ermöglicht die Simulation von Systemen wie der interferometrische Streumikroskopie, der strukturierten Beleuchtung, der Lokalisationsmikroskopie und vieler anderer. Das Framework kann von anderen Forschungsgruppen genutzt und an ihre Bedürfnisse angepasst werden, was für interdisziplinäre Forschungskooperationen von großem Vorteil wäre.

MPL / RK