比传统方法快10000倍：新的计算框架自动发现显微镜实验设计

对于人类研究人员来说，发现新的超分辨率显微镜技术需要多年的工作。显微镜可能的光学结构的数量是巨大的，例如，放置反射镜或透镜的位置。马克斯普朗克光科学研究所（MPL）的研究人员开发了一种人工智能（AI）框架，可以自主发现显微镜中的新实验设计。这个名为XLuminA的框架执行优化的速度比现有方法快1万倍。研究人员的研究成果最近发表在《自然通讯》上。

　　

对于人类研究人员来说，发现新的超分辨率显微镜技术需要多年的工作。显微镜可能的光学结构的数量是巨大的，例如，放置反射镜或透镜的位置。马克斯普朗克光科学研究所（MPL）的研究人员开发了一种人工智能（AI）框架，可以自主发现显微镜中的新实验设计。这个名为XLuminA的框架执行优化的速度比现有方法快1万倍。研究人员的研究成果最近发表在《自然通讯》杂志上。

目前，光学显微镜在生物科学中应用最为广泛。人类研究人员的聪明才智和创造力导致了超分辨率（SR）方法的发现，这种方法克服了250纳米左右的经典衍射极限，使人们能够解决细胞生命最小功能单位的组织。寻找新的显微镜技术传统上依赖于人类的经验，直觉和创造力-考虑到大量可能的实验光学配置，这是一种具有挑战性的方法。例如，如果一个光学装置只由10个元件组成，从5个不同的组件（如反射镜、透镜或分束器）中选择，那么已经有超过1亿种独特的配置。这个领域的复杂性表明，许多强大的技术可能仍未被发现，仅凭人类的直觉可能不足以发现它们。这便是基于ai的探索技术能够发挥巨大作用的地方，即以快速且无偏见的方式探索这一领域。“实验是我们了解宇宙的窗口，可以看到大尺度和小尺度。考虑到大量可能的实验配置，人类研究人员是否已经发现了所有例外的设置是值得怀疑的。这正是人工智能可以提供帮助的地方，”MPL“人工科学家实验室”负责人马里奥·克伦（Mario Krenn）解释说。

为了应对这一挑战，来自“人工科学家实验室”的科学家们与Leonhard Möckl合作，Leonhard Möckl是超分辨率显微镜领域的专家，也是MPL“物理糖科学”研究小组的负责人。他们一起开发了XLuminA，这是一个高效的开源框架，其最终目标是发现新的光学设计原理。研究人员利用其功能，特别关注SR显微镜。XLuminA是一个人工智能驱动的光学模拟器，可以自动探索可能的光学配置的整个空间。让XLuminA与众不同的是它的效率：它利用先进的计算技术来评估潜在的设计，比传统的计算方法快10,000倍。“XLuminA是将人工智能辅助发现和超分辨率显微镜结合在一起的第一步。在过去的几十年里，超分辨率显微镜已经使人们对细胞生物学的基本过程有了革命性的了解——有了XLuminA，我相信这个成功的故事将会加速，给我们带来前所未有的能力的新设计，”Möckl补充道。

这项工作的第一作者Carla Rodríguez与团队的其他成员一起，通过证明XLuminA可以独立地重新发现三种基本的显微镜技术来验证他们的方法。从简单的光学配置开始，该框架成功地重新发现了用于图像放大的系统。研究人员随后解决了更复杂的挑战，成功地重新发现了获得诺贝尔奖的STED（受激发射耗尽）显微镜和使用光学涡流实现SR的方法。最后，研究人员展示了XLuminA进行真正发现的能力。研究人员要求框架在现有光学元件的情况下找到最佳的SR设计。该框架独立地发现了一种方法，将上述SR技术（STED显微镜和光学涡旋方法）的潜在物理原理整合到一个单一的，以前未报道的实验蓝图中。这种设计的性能超过了每个单独的SR技术的能力。“当我看到XLuminA发现的第一个光学设计时，我知道我们已经成功地将一个令人兴奋的想法变成了现实。XLuminA开辟了探索显微镜全新领域的道路，在自动化光学设计中实现了前所未有的速度。我为我们的工作感到无比自豪，尤其是当我想到XLuminA将如何帮助我们增进对世界的理解时。光学自动化科学发现的未来确实令人兴奋！该研究的主要作者、XLuminA的主要开发者卡拉Rodríguez说。

框架的模块化特性使得它可以很容易地适应不同类型的显微镜和成像技术。展望未来，该团队的目标是包括非线性相互作用、光散射和时间信息，这将使iSCAT（干涉散射显微镜）、结构照明和定位显微镜等系统的模拟成为可能。该框架可以被其他研究小组使用，并根据他们的需要进行定制，这将对跨学科研究合作具有很大的优势。