Use case 'Een boost voor ultragevoelige microscopen'(Publicatie)

Sneller modellen testen op HPC Cloud Biologen bestuderen de eigenschappen van organismen (bijvoorbeeld kankercellen) onder de microscoop. Maar het licht van de microscoop beschadigt deze organismen en ze kunnen slechts beperkte tijd in leven blijven - een paar uur tot hooguit een paar dagen. Te veel licht doodt het specimen, maar met te weinig licht krijg je niet genoeg informatie.

download
28 JUN 2018

Oog van een vlieg (links) en vleugel (rechts). Door Ronald Breedijk. Bron: Confocal.nl

Nieuwe strategie

Venkat Krishnaswami, postdoc in de groep van dr. Erik Manders aan het Swammerdam Insitute for Life Sciences van de UvA, ontwikkelde een nieuwe strategie om microscopen gevoeliger te maken. Zijn algoritme voorspelt de benodigde hoeveelheid licht en past de belichtingsintensiteit aan het specimen aan. “Met deze ‘aangepaste belichting’ is het nu mogelijk om de fysiologische en morfologische functies van een organisme gedetailleerder te bestuderen.”

3D-beelden

Onder een traditionele microscoop wordt een specimen belicht met een gelijkmatige intensiteit en krijg je een sterk vergoot beeld. Sinds de jaren ’80 wordt in de biologie vooral een ander soort microscoop gebruikt: de confocale microscoop. Deze scant het specimen puntsgewijs met een laser. Het terugkaatsende licht gaat door een piepklein gaatje, dat onscherp licht filtert, naar het objectief. Zo wordt een tweedimensionaal beeld samengesteld, en door die op elkaar te stapelen, krijg je een driedimensionaal beeld. Deze techniek creëert 3D-beelden met een veel hogere resolutie en contrast.


N1e-115 neuroblastoom-cel. Door Stan Hilt. Bron: Confocal.nl

Belichting aanpassen

Een ander soort microscopie, die nog scherpere beelden oplevert, is de Re-Scan Confocal Microscope (RCM). Deze techniek is ontwikkeld in de onderzoeksgroep van Manders en op de markt gebracht door UvA-spin-off Confocal.nl. Krishnaswami heeft zijn op voorspelling gebaseerde aangepaste belichting gecombineerd met de RCM. “De confocale microscoop belicht het specimen punt voor punt. Met de informatie over het eerste punt kun je in real time voorspellen hoeveel licht je nodig hebt voor het punt daaronder. Zo kun je de belichting aanpassen aan het specimen. Door de combinatie van deze twee technieken kun je de hoeveelheid licht sterk verminderen en krijg je bovendien een veel hogere beeldresolutie.”

Frustrerend

Om het voorspellingsalgoritme onder verschillende omstandigheden te testen, moest Krishnaswami een heleboel verschillende wiskundige modellen testen. Maar het achter elkaar uitvoeren van die processen duurde lang. “Mijn eigen computer deed een heel weekend over het draaien van een simulatie. De iteratie - het herhalen van de tests onder verschillende omstandigheden – kostte ook veel tijd. Dat was frustrerend, omdat ik zoveel ideeën had die ik wilde uitproberen. Mijn begeleider wees me toen op SURFsara.”


Huid van een hert. Door Irene Stellingwerf. Bron: Confocal.nl

HPC Cloud

SURFsara’s HPC Cloud biedt een flexibele onderzoeksinfrastructuur. De dienst biedt toegang tot high performance computing en snelle dataopslag, waarbij de gebruiker de volledige controle heeft over zijn/haar projectomgeving. Je kan deze omgeving inrichten met het besturingssysteem, de software en de rekendiensten die je nodig hebt. Krishnaswami had simulatiemodellen gemaakt in MATLAB (een softwareomgeving voor wiskundige toepassingen) die het hele beeldvormingsproces nabootsten. Omdat deze code grotendeels parallel kan draaien en baat heeft bij versnelde rekenkracht, bleken de GPU-nodes van de HPC Cloud heel geschikt. “Ik heb een paar maanden met deze dienst gewerkt en verschillende algoritmes bestudeerd. Met high performance computing duurde een simulatie maar een paar uur.” 

Het onderzoek, dat is uitgevoerd in samenwerking met dr. Ron Hoebe van het AMC, wordt binnenkort gepubliceerd in Journal of Microscopy.

Meer informatie

Aantal keren bekeken:
464
Laatste wijziging op 28 aug 2018