Цукерберг финансирует: Как «подружить» оптические технологии и биомедицину
Конфокальная микроскопия фибробластов, которые важны в соединительной ткани. Ядра отмечены синим, актинические волокна красным, а тубулины зеленым. Фото: iStock.com.
Изобретение микроскопа в конце XVI века позволило ученым впервые исследовать микроскопический мир, но ученым потребовалось еще 200 лет, чтобы оценить микроскоп как важный инструмент в клинической медицине. Сегодня изображения молекул, клеток и тканей являются критическим шагом в биомедицинских исследованиях и клинической практике. Однако недостатки в программном обеспечении обработки изображений и в распространении новых технологий микроскопа замедлили прогресс в этой области.
Chan Zuckerberg Initiative (CZI) в прошлом году провели три семинара по теме обработки изображений, которые были направлены на вычислительные инструменты для микроскопии, клеточную и субклеточную визуализацию и визуализацию в мезомасштабе и макромасштабе, соответственно. Мы также посетили семь различных центров обработки изображений в США и Европе. В полученных нами отзывах мы увидели возможность ускорения прогресса в области обработки изображений за счет использования технологической экспертизы, которая стала основой нашего запроса на предоставление информационных систем для ученых, занимающихся наукой о сборе, хранении, поиске и обработке визуальной информации (RFA)
Новая программа Imaging Scientists от CZI направлена на ускорение развития биологии и медицины за счет расширения сотрудничества между биологами и экспертами в области технологий, тем самым улучшая инструменты микроскопии. Программа будет поддерживать до 10 ученых, состоящих в этой программе, для работы в центрах обработки изображений в США в течение трех-пяти лет. Этими учеными-изобретателями могли быть инженеры, физики, математики, программисты или биологи, которые специализируются на технологии в области оптической микроскопии или анализа данных.
Почему обработка изображений?
Микроскопия — основной метод клеточной биологии — занимает центральное место в основе биологии и медицины. Микроскопия также является ключом к патологии, которая определяет причины и последствия болезней. Наряду с микроскопией медицинская визуализация обеспечивает критический способ диагностики болезни на уровне всего организма. Улучшение методов визуализации означает улучшение широких областей биомедицины, что является основной идеей миссии CZI по поддержке науки и техники, которая позволит все болезни к концу этого столетия вылечить, предотвратить или сдерживать их развитие.
В прошлом десятилетии был достигнут технический прогресс, которые резко увеличил разрешающую способность оптической микроскопии. Теперь можно, например, наблюдать в живых клетках движение отдельных молекул, которые были помечены флуоресцентными маркерами. Но многие из этих новых микроскопов не были выведены на рынок, и программное обеспечение для анализа этих новых видов данных отстает от достижений в области аппаратного обеспечения. Мы считаем, что эта проблема обусловлена недостаточным взаимодействием между биологами и инженерами; наша программа Imaging Scientists стремится решить эту проблему.
Исследователь проверяет, окрашены ли ткани флуоресцентным антителом (Alexa Fluor 555). Фото: Jobelle Peralta.
Поддержка проектирования в центрах обработки изображений
В центрах обработки изображений используются современные микроскопы, инструменты для визуализации органов и связанное с ними программное обеспечение среди исследователей в университетах, медицинских центрах или присоединенных исследовательских учреждениях. Во время наших визитов в центры обработки изображений мы узнали от биологов, что они очень ценят контакт с инженерами аппаратного и программного обеспечения, но эта техника недооценена в биомедицине. Например, инженеры в центрах обработки изображений в США часто финансируются за счет возмездного оказания услуг. Это отсутствие целевого фонда препятствует их творческой изобретательности, не позволяет использовать их опыт в полной мере и ограничивает их внимание по отношению к системному прогрессу, который мог бы улучшить всю область. Средства от премии CZI будут направлены на устранение этого разрыва за счет выплаты затрат на заработную плату ученым, занимающимся наукой о сборе, хранении, поиске и обработке визуальной информации, чтобы они могли более глубоко и творчески взаимодействовать с людьми, занимающимися экспериментальной биологией в своих проектах.
Улучшение аппаратного и программного обеспечения обработки изображений
Современная микроскопия способна генерировать 3D-изображения с очень высокими скоростями или осуществлять таймлапс видео в течение длительного времени. Биологическое сообщество пытается делиться такими большими объемами обработанных изображений, анализировать и визуализировать их. Существующая экосистема инструментов с открытым исходным кодом отвечает наиболее насущным потребностям ученых, но эти инструменты остаются сложными в использовании, трудны для взаимодействия и еще не включают в себя современные достижения в разработке и автоматизации пользовательского интерфейса с помощью машинного обучения. Кроме того, многие новые микроскопы, особенно находящиеся на стадии разработки, требуют специальной экспертизы для сборки и даже для работы с ними. Мы видим насколько важно биологам и инженерам сосредоточиться на своих областях знаний, сотрудничая для решения проблем, требующих участия передовых технологий.
Ученые, работающие с CZI, будут работать непосредственно с биологами, чтобы использовать и совершенствовать новейшие аппаратные средства и программное обеспечение для обработки изображений. Благодаря регулярным обсуждениям и взаимодействиям эта группа инженеров на месте определит потребности программного обеспечения и инфраструктуры данных в области микроскопии, определит какие пакеты программного обеспечения в настоящее время наиболее полезны, как эти системы могут быть улучшены и необходимо ли разработать абсолютно новое программное обеспечение. В рамках нашей заинтересованности в открытой науке у CZI имеются свои штатные инженерные команды, которые разрабатывают программное обеспечение совместно с учеными этой среды, используя открытые сайты разработки, такие как GitHub, и выпуская программное обеспечение, разработанное нашей собственной командой и нашими финансируемыми партнерами в рамках разрешенных лицензий с открытым исходным кодом
Флуоресцентный вид клеток кожи человека в культуре под микроскопом. Ядра отмечены синим, актинические волокна красным, а тубулины зеленым. Фото: iStock.com.
Более широкий и быстрый обмен новыми методами обработки изображений
Недостаточно просто разрабатывать новые технологии, эти новые технологии должны быть широко и быстро распределены. В дополнение к ежедневному взаимодействию «один на один» с биологами, ученые, работающие с CZI, должны будут преподавать на курсах, которые распространяют современные методы микроскопии и которые открыты для ученых и студентов по всему миру. Ожидается также, что они станут частью более широкой сети экспертов по обработке изображений для выявления достижений в этой области и ее потребностей. Два раза в год научные семинары и встречи CZI в области обработки изображений и смежных биомедицинских областей будут предоставлять возможность заводить знакомства, обмениваться опытом и знаниями и использовать опыт друг друга для создания улучшений в технологии обработки изображений.
CZI и программное обеспечение
Уникальный дизайн Chan Zuckerberg Initiative сочетает в себе традиционную филантропическую поддержку с разработкой программного обеспечения с помощью штатной команды инженеров-программистов. Команды служат трем столпам CZI: науке, образованию и «справедливость&возможности». Разработанное программное обеспечение свободно распространяется, как правило, с открытым исходным кодом и разрабатывается в сотрудничестве с внешними разработчиками и пользователями. Взаимодействие с учеными, преподавателями и сектором социального обслуживания помогает CZI определять области, где его инженеры могут обеспечить максимальную ценность для этих разнообразных сфер. Чтобы узнать больше о нашей технологической команде, подписывайтесь на технологический блог CZI.
CZI рассчитывает с помощью этой программы Imaging Scientists внести свой вклад в специалистов в области микроскопии и программного обеспечения, которые продвигают эту область вперед, выявляя ее нынешние проблемы и будущий потенциал. Вы можете прочитать RFA и подать заявку до 3 октября 2018 года в 17:00 по тихоокеанскому времени. Пожалуйста, поделитесь этими важными перспективами и помогите нам распространить эту информацию! Для решения административных и программных вопросов, технической помощи или других вопросов связанных с RFA, пожалуйста, свяжитесь с [email protected]. Чтобы оставаться в курсе возможностей финансирования, подпишитесь на нашу рассылку. Чтобы узнать больше о работе в науке, посетите наш веб-сайт или подпишитесь на нас в Twitter.
Эд Макклески, научный сотрудник
Эд Макклески является научным сотрудником в Chan Zuckerberg Initiative с марта 2017 года, а ранее он был научным сотрудником в течение 10 лет в Медицинском институте Ховарда Хьюза. Он был профессором и ученым в Институте Vollum при университете Орегон Хелт & Сайенс(1993-2007) и в медицинской школе Вашингтонского университета (1986-1993). Его исследования посвящены биофизическим свойствам кальций-селективных ионных каналов и открытию ионных каналов, которые вызывают различные виды боли. Он преподавал физиологию и неврологию и руководил курсом нейробиологии в Морской биологической лаборатории в Вудс Холе.
Прием заявок в филтех-акселератор продлен до 27 сентября.
Тема: «Старение: технологические решения социальной проблемы» — как с помощью технологий решать социальные, экономические и культурные проблемы, связанные со старением человечества.
