Tanto los bebés en desarrollo como los adultos mayores comparten una característica común:las muchas células que componen su cuerpo están siempre en movimiento. A medida que los humanos nos trasladamos al trabajo, las células migran a través del cuerpo para realizar su trabajo. Los biólogos han luchado durante mucho tiempo para cuantificar el movimiento y la morfología cambiante de las células a lo largo del tiempo, pero ahora, Los científicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han ideado una herramienta elegante para hacer precisamente eso.

Usando el aprendizaje automático, los investigadores diseñaron un software para analizar instantáneas microscópicas de células migratorias. Llamaron al software Usiigaci, una palabra Ryukyuan que se refiere a trazar los contornos de objetos, ya que la herramienta innovadora detecta los contornos cambiantes de las células individuales. Usiigaci, descrito en un artículo publicado el 13 de marzo, 2019 en SoftwareX , ahora está disponible en línea para que cualquiera la use, junto con un video tutorial que explica el software.

En el útero, Las células de un bebé migran a lugares precisos para que cada brazo, pierna, y el órgano crece en su lugar apropiado. Nuestras células inmunitarias corren por el cuerpo para curar heridas tras heridas. Las células cancerosas hacen metástasis al viajar a través del cuerpo, propagación de tumores a nuevos tejidos. Para probar la eficacia de nuevos medicamentos, los desarrolladores de fármacos rastrean el movimiento de las células antes y después del tratamiento. El software Usiigaci encuentra aplicaciones en todas estas áreas de estudio y más.

"Esta es una solución todo en uno para pasar de imágenes sin procesar a datos cuantitativos sobre migración celular, "dijo Hsieh-Fu Tsai, primer autor del estudio. Tsai es estudiante de posgrado e investigadora DC1 de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) en la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos de OIST, dirigido por la profesora Amy Shen. "Nuestro software es al menos 100 veces más rápido que los métodos manuales, que son actualmente el estándar de oro para este tipo de experimentos porque las computadoras aún no son lo suficientemente potentes ".

"Esperamos que este software pueda resultar muy útil para la comunidad científica, "dijo la profesora Amy Shen, investigador principal de la unidad y autor principal del estudio. "Para cualquier estudio biológico o detección de drogas que requiera que realice un seguimiento de las respuestas celulares a diferentes estímulos, puede utilizar este software ".

El aprendizaje automático hace que Usiigaci sea adaptable

Para observar células bajo el microscopio, los científicos a menudo los sumergen en tinte o modifican sus genes para hacerlos brillar con colores llamativos. Pero las células colorantes altera su movimiento, lo que a su vez sesga los resultados experimentales. Algunos científicos intentan estudiar la migración celular sin la ayuda de etiquetas fluorescentes, utilizando los métodos denominados "sin etiquetas", pero terminan encontrando un problema diferente; Las células sin etiquetas se mezclan con el fondo de las imágenes microscópicas, haciéndolos increíblemente difíciles de analizar con el software de computadora existente.

Usiigaci supera este obstáculo al permitir a los científicos entrenar el software a lo largo del tiempo. Los biólogos actúan como profesores, proporcionando al software nuevas imágenes para estudiar de modo que pueda llegar a reconocer una celda de la siguiente. Aprende rápido el programa se adapta rápidamente a nuevos conjuntos de datos y puede rastrear fácilmente el movimiento de celdas individuales, incluso si están hacinados como viajeros en el metro de Tokio.

"La mayoría del software ... no puede diferenciar las celdas de alta densidad; básicamente, se están segmentando en un globo, ", dijo Tsai." Con nuestro software, podemos segmentar correctamente incluso si las celdas se tocan. De hecho, podemos hacer un seguimiento de una sola celda a lo largo de todo el experimento ". Usiigaci es actualmente el software más rápido capaz de rastrear el movimiento de las celdas sin etiquetas con la resolución de una sola celda en una computadora portátil personal.

El software imita el cerebro humano

Los investigadores diseñaron Usiigaci para procesar imágenes como si fuera un cerebro humano simplificado. La estrategia permite al software rastrear los contornos de celdas individuales, monitorear su movimiento momento a momento, y transformar esa información en números crujientes.

El programa se basa en una infraestructura de aprendizaje automático conocida como "red neuronal convolucional". basándonos aproximadamente en cómo las células cerebrales trabajan juntas para procesar la información entrante del mundo exterior. Cuando nuestros ojos captan la luz del entorno, hacen un llamado a las neuronas para analizar esas señales y averiguar qué estamos mirando y dónde está en el espacio. Las neuronas primero dibujan la escena a grandes rasgos y luego pasan la información al siguiente conjunto de células, renderizando progresivamente la imagen con más y más detalle. Las redes neuronales funcionan de manera similar, excepto que cada "neurona" es una colección de código en lugar de una célula física.

Este diseño otorga a Usiigaci su precisión y adaptabilidad. Viendo hacia adelante, los investigadores tienen como objetivo desarrollar redes neuronales para identificar diferentes componentes dentro de las células, en lugar de solo sus contornos. Con estas herramientas en la mano, los científicos podrían evaluar fácilmente si una célula está sana o enferma, joven o viejo, derivado de un linaje genético u otro. Como Usiigaci, estos programas tendrían utilidad en biología fundamental, investigación en biotecnología y más.