„`html
NSF alocă 19 milioane de dolari pentru construirea unui observator biologic 3D
Universitatea din Vermont va fi hub-ul național de coordonare pentru un nou proiect de 19 milioane de dolari, finanțat de National Science Foundation, care va proiecta și construi un observator destinat cercetătorilor pentru a investiga întrebări esențiale privind structurile mici ale vieții în trei dimensiuni.
Proiectul are ca scop să facă disponibile capacitățile de imagistică, care în prezent sunt concentrate în câteva laboratoare specializate, unui număr cât mai mare de oameni de știință din întreaga țară, din diverse domenii ale biologiei, medicinei și științelor vieții.
Coordonat de Davi Bock, de la Colegiul de Medicină Robert Larner al UVM, împreună cu cercetătorii Doug Taatjes și Mark Ellisman, observatorul național National Connectomics and Ultrastructure Volume Observatory (NCUVO) va combina microscopie electronică avansată, inteligență artificială și rețele de calcul puternice.
Proiectul va integra microscopie electronică de înaltă capacitate la Colegiul de Medicină Larner al UVM, cu expertiză în prepararea probelor și tehnici avansate de microscopie la Centrul Național pentru Microscopie și Imagistică al UC San Diego, precum și gestionarea și procesarea datelor la Centrul de Supercomputare din San Diego. Aceste parteneriate vor crea un sistem care va conecta probele biologice cu datele științifice utilizabile pentru cercetătorii din întreaga țară.
„Această inițiativă exemplifică angajamentul UVM de a studia ceea ce contează: cercetarea inovatoare, bazată pe valori, care poate schimba lumea în bine”, a declarat Marlene Tromp, președintele UVM. „Lucrările acestui observator vor ajuta la răspunsul la întrebări esențiale despre lumea naturală, cu descoperiri care ne pot ajuta să înțelegem mai bine întreaga viață de pe această planetă.”
În ultimele două decenii, Bock a contribuit la dezvoltarea științei „connectomics”, cartografierea conexiunilor creierului și sistemelor nervoase până la neuronii individuali și sinapsele care îi leagă. Laboratorul său a obținut imaginile microscopice electronice utilizate de o colaborare internațională pentru a produce primul plan de cablare al întregului creier al unei muște adulte, un reper științific raportat în Nature în 2024.
Această muncă a necesitat câteva progrese uriașe în viteză de imagistică și puterea de calcul. Deși microscopiile electronice pot dezvălui structuri extrem de mici, provocarea pentru neuroștiința de generație următoare a fost asamblarea și alinierea unui număr suficient de imagini pentru a urmări traseele ramificate ale neuronilor prin volume substanțiale de țesut și transformarea acelor milioane de imagini în hărți utile. Acum, oportunitatea este de a extinde această capacitate atât în ceea ce privește problemele pe care le poate aborda, cât și numărul de oameni de știință care vor avea acces la aceasta.
Bock a afirmat: „Am construit un far pentru a explora un tip de problemă, iar acum, cu o facilitate concepută special pentru lucrări avansate, o vom folosi pentru a explora multe, multe alte probleme. Acest nou centru național va fi unic la nivel global în a îndrepta microscoapele de volum cu înaltă capacitate către întregul spectru al biologiei. În prezent, un astfel de lucru nu există nicăieri altundeva.”
O mare parte din eforturile din domeniu se concentrează acum pe cartografierea unor creiere din ce în ce mai mari, inclusiv creierele întregi ale unor „specii model” utilizate în cercetarea științifică. Bock își propune să extindă această capacitate dincolo de connectomics-ul creierului întreg la alte sisteme neurobiologice, la alte specii și la întrebările științifice emergente privind modul în care „ultrastructura” – detaliile fine din interiorul și între celule – facilitează și susține procesarea informațiilor biologice. Procesarea de înaltă capacitate permite colectarea unui număr mult mai mare de probe, iar compararea mai multor probe poate dezvălui modul în care structurile diferă în funcție de învățare, dezvoltare sau boală. Privind dincolo de sistemele nervoase, s-ar putea ilumina mecanismele din interiorul celulelor individuale, inclusiv organismele unicelulare numite protiste.
La fel cum un observator astronomic oferă o modalitate comună de investigare a universului, observatorul NCUVO va ajuta cercetătorii să exploreze structuri biologice prea mici pentru a fi văzute cu microscoape de lumină obișnuite.
Bock a subliniat: „Este o nouă combinație și aplicare a tehnologiei la scară. Există atât de multe despre lumea naturală pe care nu le înțelegem pe deplin, dar pentru a debloca acele secrete, eforturile de cercetare trebuie să aibă loc la o scară mult mai mare. Asta va face noul observator.”
Kirk Dombrowski, vicepreședinte pentru cercetare și dezvoltare economică al UVM, a declarat: „Sprijinul National Science Foundation pentru acest proiect este o investiție în munca esențială a descoperirii, iar noi suntem extrem de recunoscători pentru încrederea pe care o are în UVM și partenerii noștri. Istoria științei arată că progresele transformative încep adesea cu cercetarea de bază: eforturi atente, motivate de curiozitate, pentru a înțelege cum funcționează lumea. Acest observator va permite oamenilor de știință să observe biologia în moduri care au fost anterior inaccesibile și să urmărească întrebări care ar putea modela întregi domenii în decadelor următoare.”
Echipa va proiecta și testa un parcurs complet de la probele biologice la imaginile pe care cercetătorii le pot explora și analiza. Tesutul conservat în rășină va fi tăiat în mii de felii ultrafine, iar un microscop electronic de înaltă capacitate, găzduit în clădirea de cercetare medicală Firestone a UVM, va capta detaliile acestora. Apoi, computerele puternice de la Centrul de Supercomputare din San Diego vor asambla imaginile în volume tridimensionale.
Inteligența artificială va ajuta la identificarea limitelor celulelor, urmărirea neuronilor și distincția structurilor din interiorul celulelor. Cercetătorii vor avea la dispoziție instrumente pentru a verifica acele reconstrucții, a eticheta caracteristicile și a investiga întrebările științifice.
La Centrul Național pentru Microscopie și Imagistică al UC San Diego, lucrările de urmărire pe zone selectate vor putea fi imaginate la o rezoluție mai mare pentru a conecta detaliile foarte mici cu mediile mai mari descoperite în Vermont. Centrul din San Diego, condus de Mark Ellisman, are la activ decenii de experiență în dezvoltarea metodelor de pregătire a probelor, instrumentelor avansate de imagistică și instrumentelor computaționale pentru microscopie biologică. Combinând aceste capabilități cu NCUVO, volumul, capacitatea și scala muncii de connectomics, acum centrată în San Diego, vor crește semnificativ.
„Designul NCUVO se concentrează pe transformarea celor mai recente tehnologii de pregătire a probelor, imagistică multimodală și tehnologii computaționale într-o capacitate națională comună, mai degrabă decât o specialitate disponibilă doar pentru câțiva”, a declarat Mark Ellisman. „La NCMIR, vom ajuta la furnizarea mijloacelor pentru a transforma datele brute de imagistică microscopice
