Мікроскоп MOSAIC показує клітини в п’яти вимірах і генерує терабайти даних

19 серпня 2026 р. 19:37

19 серпня 2026 р. 19:37

Біологічні процеси відбуваються одночасно на різних масштабах: молекули взаємодіють у межах наносекунд і нанометрів, тоді як зміни, пов’язані з хворобами на кшталт Альцгеймера, поширюються на міліметри тканини мозку. Щоб по-справжньому зрозуміти такі системи, потрібно спостерігати всі ці рівні разом, на одному й тому самому зразку. Про новий інструмент, який наближає це до реальності, розповідає матеріал Newswise Science News .

Традиційно вченим доводилося переносити зразки між різними спеціалізованими мікроскопами, ризикуючи пошкодити тканину й втрачаючи контекст. Є й інша проблема: чим глибше дослідники намагаються зазирнути в живу тканину, тим сильніше розмивається зображення. А коли вдається зібрати дуже детальні дані, їхній обсяг стає майже некерованим.

“Швейцарський ніж” серед мікроскопів

Дослідники з Національної лабораторії ім. Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) та партнерських установ створили Multimodal Optical Scope with Adaptive Imaging Correction (MOSAIC) — багаторежимний оптичний мікроскоп з адаптивною корекцією зображення. Він поєднує понад десять різних методів візуалізації в одному компактному приладі й обробляє гігантські масиви даних за допомогою обчислювальних інструментів Berkeley Lab, підтриманих суперкомп’ютером Perlmutter Національного центру наукових обчислень NERSC.

MOSAIC дозволяє відстежувати біологічні процеси на різних масштабах і порівнювати методи зйомки на одному й тому самому зразку. За словами співкореспондуючого автора Сріґокула «Ґокула» Упадг’яюли (Srigokul “Gokul” Upadhyayula), мікроскоп здатен генерувати до чотирьох терабайтів даних на годину — набагато більше, ніж можуть опрацювати звичайні робочі процеси чи ручний перегляд.

«Мікроскоп корисний лише настільки, наскільки ми здатні обробити ці дані й витягти з них біологічний зміст», — наголошує він. Саме тут у гру вступає досвід Berkeley Lab у галузі високопродуктивних обчислень і аналізу великих даних.

Як влаштований MOSAIC

Новий прилад виріс із адаптивно-оптичного мікроскопа з решітчастим світловим шаром, який Нобелівський лауреат Ерік Бетциґ (Eric Betzig), Упадг’яюла та їхні колеги описали у 2018 році. Той попередній варіант давав виняткову якість, але займав оптичний стіл розміром близько 3 на 1,2 метра. Зі зростанням попиту команда розробила MOSAIC так, щоб зберегти й розширити можливості, водночас суттєво зменшивши габарити.

Сьогодні MOSAIC інтегрує лазери й оптичні системи в об’ємі приблизно 1 × 1 × 1 метр. Моторизовані оптичні перемикачі дозволяють переналаштовувати шляхи світла за 2–5 секунд , перемикаючись між приблизно десятком режимів зйомки. Ті самі лазери, дзеркала, камери та обчислювальні модулі працюють у різних конфігураціях завдяки спеціальній системі оптичного комутаційного перемикання.

Ключова особливість — усі режими підсилені адаптивною оптикою. Цю технологію запозичили з астрономії, де її використовують для корекції спотворень, спричинених атмосферою, щоб чіткіше бачити далекі зорі. У біологічній візуалізації адаптивна оптика компенсує спотворення, які створює сама жива тканина.

За словами Упадг’яюли, тканина викликає аберації, що викривляють і перенаправляють світло, знижуючи сигнал і роздільну здатність. Адаптивна оптика вимірює ці спотворення й компенсує їх — наче «вмикає двірники на лобовому склі під час дощу»: інформація завжди була присутня, але була прихована.

MOSAIC також використовує флуоресцентні молекули для мічення конкретних структур і процесів у живих клітинах, швидку та щадну світлову листову (light-sheet) зйомку, що мінімально травмує зразок, а також високошвидкісну інфраструктуру передавання даних для роботи з масивними наборами зображень.

Що відкривається, коли прибрати «оптичний дощ»

Завдяки можливості довго й майже неінвазивно спостерігати великі об’єми тканини MOSAIC уже дав змогу провести низку експериментів. Серед них — відстеження окремих молекул у живих клітинах, спостереження за динамікою органел у зародках даніо-реріо, картування нейронної архітектури в розширеній (expansion) тканині мозку людини з хворобою Альцгеймера та візуалізація нейронної активності в мозку живих мишей.

У дослідах на мишачому мозку адаптивна оптика дозволила виявити приблизно у 2,5 раза більше подій кальцієвої активності нейронів, ніж без її використання. Це свідчить, що традиційна мікроскопія могла систематично недооцінювати рівень активності мозку.

MOSAIC також став ключовим інструментом у пов’язаному проєкті VIPS (Volumetric Imaging via Photochemical Sectioning), опублікованому в Science у 2025 році. Там за допомогою MOSAIC та обчислювальних інструментів Berkeley Lab дослідники отримали зображення двох повних нюхових цибулин дорослих мишей з нанометровою роздільною здатністю, згенерувавши близько петабайта даних за два тижні . Їхній аналіз зайняв два роки — яскравий приклад того, наскільки швидше ми можемо збирати дані, ніж осмислювати їх.

«Вузьким місцем більше не є збір даних, — зазначає Упадг’яюла. — Сучасні мікроскопи здатні генерувати гігантські набори спостережень. Головна проблема — перетворити щільні п’ятивимірні дані на біологічне розуміння».

Обчислювальний “мозок” для мікроскопа

Щоб подолати цей розрив, команда Бетциґа та Упадг’яюли за підтримки внутрішнього гранту LDRD розробила PetaKit5D — відкритий програмний набір, який у реальному часі обробляє терабайти даних на годину від MOSAIC і знижує вартість обробки більш ніж на порядок порівняно з попередніми підходами.

Дослідники також отримали обчислювальні ресурси на суперкомп’ютері Perlmutter у NERSC для обробки й візуалізації найбільших масивів даних. Але ефективна обробка — лише половина завдання. Інша половина — зібрати достатньо якісних даних, стабільно й у великих обсягах, щоб навчити штучний інтелект, здатний зрозуміти все це.

У Каліфорнійському університеті в Берклі вже працюють дві установки MOSAIC, які фактично безперервно збирають п’ятивимірні дані — три просторові координати, час і молекулярну ідентичність. Саме такі набори потрібні для тренування нової, більш потужної моделі ШІ.

За словами Упадг’яюли, потік даних від цих інструментів уже змінює сам підхід до біології: вперше дослідники можуть спостерігати біохімічні процеси in vivo всередині клітин, що залишаються у своїх рідних тканинах, у живому організмі.

Наступним кроком він вважає створення візуально-мовної моделі, яка «мислитиме» біологією: поєднуватиме побачені структури з молекулярною ідентичністю, експериментальним контекстом і вже відомими знаннями, щоб визначати, які спостереження важливі й які експерименти варто проводити далі.

У поєднанні з автоматизованими мікроскопами, системами підготовки зразків і керованими впливами на них така ШІ-система, за оцінкою дослідників, може стати основою «самокерованих» біологічних лабораторій і радикально прискорити темпи відкриттів.

Відеодемонстрацію роботи MOSAIC та прикладів візуалізації можна переглянути за посиланням на відео, надане авторами дослідження.

Наука