Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Selbstlernendes Computerprogramm analysiert Zellteilungsprozesse

29.05.2012
Daniel Gerlich, Biologe am IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie, entwickelte eine neue Methode, bei der mikroskopische Bilder vollautomatisch und ohne jede menschliche Unterstützung analysiert und ausgewertet werden können. Die neue Technik wird kommenden Sonntag im wissenschaftlichen Journal „Nature Methods“ vorgestellt.
In der modernen Biologie ist die automatische Aufnahme von Mikroskop-Bildern längst Standard. Dabei können pro Experiment mehrere Millionen Bilder entstehen. Diese werden danach analysiert und beurteilt, damit sinnvolle Aussagen getroffen werden können. Computer helfen bei der Analyse der Daten. Allerdings mussten die Wissenschaftler bisher genaue Kriterien vorgeben, nach denen der Computer die Daten sortiert. Diesen Ansatz nennt man „Supervised Machine Learning“.

Macht der Computer bald alles allein?

Daniel Gerlich, Senior Gruppenleiter am IMBA, ist ein Pionier auf dem Gebiet der automatisierten Mikroskopie lebender Zellen. Jetzt entwickelte er mit seinem Team eine neue Methode, bei der die Kategorisierung durch einen Wissenschaftler nicht mehr notwendig ist. Beim sogenannten „Unsupervised Machine Learning“ erkennt der Computer selbst, wie die Kriterien aussehen müssen, nach denen Bilder zugeordnet werden können.

Die beiden größten Vorteile der neuen Methode ohne menschlichen Einfluss sind die höhere Objektivität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Zeitersparnis spielt ebenfalls eine Rolle. „Der Biologe wird natürlich auch in Zukunft gebraucht, aber statt monoton Bilder auszuwerten kann er sich seinen eigentlichen Aufgaben zuwenden, wie Hypothesen aufzustellen oder Experimente zu designen,“ stellt Gerlich klar.

Daniel Gerlich bearbeitet mit der neuen Technik unter anderem das Thema Zellteilung. „In unserem Experiment haben wir dem Computer nur vorgegeben, dass er die Teilung der Zelle in sechs Phasen unterscheiden soll. Ohne unser weiteres Zutun erkannte das System die strukturellen Veränderungen der Zelle während des Teilungsprozesses und ordnete ähnlich aussehende Bilder den einzelnen Phasen zu.“

Berücksichtigung des Faktors „Zeit“ ist der Knackpunkt

Vorhergehende Versuche vollautomatisierter Zellerkennung wurden durch die hohe Variabilität der Zellstrukturen erschwert. Die von Gerlichs Arbeitsgruppe entwickelte Methode löst dieses Problem durch die Berücksichtigung der Zeitinformation. Das heißt, dass keine isolierten Bilder analysiert werden, sondern gefilmte Abläufe. Die gewonnen Ergebnisse sind dadurch sehr viel genauer als mit herkömmlichen Methoden. In der Studie, in der Gerlich die Teilung menschlicher Krebszellen beobachtete, konnten somit auch die feinen Übergänge zwischen den einzelnen Phasen der Teilung festgehalten werden. Die neue Methode ermöglicht daher detaillierte Untersuchungen von Defekten, die zum Entarten von Krebszellen führen können. „Erst die Zeitachse setzt die vielen einzelnen Datensätze in den richtigen Zusammenhang,“ ist Gerlich überzeugt. „Unsupervised Machine Learning“ wird dadurch zu einem wertvollen Werkzeug der modernen Zellbiologie.

Originalpublikation:
Qing Zhong, Alberto Giovanni Busetto, Juan Pablo Fededa, Joachim M. Buhmann and Daniel W. Gerlich. 2012. Unsupervised Modeling of Cell Morphology Dynamics for High-throughput Time-lapse Microscopy. Nature Methods.

Projekt des “Systems Microscopy Network of Excellence”, finanziert im Rahmen des 7. Rahmenprogramms für Forschung & Entwicklung (FP7) der Europäischen Union.

Daniel Gerlich:
Daniel Gerlich verbindet in seiner Forschung biologische Fragestellungen mit modernen Computertechnologien. Er ist Spezialist auf dem Gebiet der automatisierten Mikroskopie, die er u.a. für seine Studien zur Zellteilung nutzt. Nach seinem Postdoktorat am EMBL in Heidelberg war Gerlich für sieben Jahre Assistenzprofessor an der ETH in Zürich. Seit 2012 ist er Senior Gruppenleiter am IMBA.

IMBA:
Das IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie ist ein international anerkanntes Forschungsinstitut mit dem Ziel, molekulare Prozesse in Zellen und Organismen zu erforschen und Ursachen für die Entstehung humaner Erkrankungen aufzuklären. Unabhängige wissenschaftliche Arbeitsgruppen arbeiten an biologischen Fragestellungen aus den Bereichen Zellteilung, Zellbewegung, RNA-Interferenz und Epigenetik, ebenso wie an unmittelbaren medizinischen Fragestellungen aus den Gebieten Onkologie, Stammzellforschung und Immunologie. Das IMBA ist eine 100% Tochtergesellschaft der ÖAW. http://www.imba.oeaw.ac.at

ÖAW:
Die Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist die führende Trägerin außeruniversitärer akademischer Forschung in Österreich. Die mehr als 60 Forschungseinrichtungen betreiben anwendungsoffene Grundlagenforschung in gesellschaftlich relevanten Gebieten der Natur-, Lebens- und Technikwissenschaften sowie der Geistes-, Sozial- und Kulturwissenschaften. http://www.oeaw.ac.at

Evelyn Devuyst | idw
Weitere Informationen:
http://www.oeaw.ac.at
http://www.imba.oeaw.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Integrierte Zuckermoleküle schonen Zellkulturen
17.05.2019 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Erstmals Einsatz von gefäßschützendem Antikörper bei kardiogenem Schock
17.05.2019 | Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Quanten-Cloud-Computing mit Selbstcheck

Mit einem Quanten-Coprozessor in der Cloud stoßen Innsbrucker Physiker die Tür zur Simulation von bisher kaum lösbaren Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung oder Hochenergiephysik weit auf. Die Forschungsgruppen um Rainer Blatt und Peter Zoller berichten in der Fachzeitschrift Nature, wie sie Phänomene der Teilchenphysik auf 20 Quantenbits simuliert haben und wie der Quantensimulator das Ergebnis erstmals selbständig überprüft hat.

Aktuell beschäftigen sich viele Wissenschaftler mit der Frage, wie die „Quantenüberlegenheit“ auf heute schon verfügbarer Hardware genutzt werden kann.

Im Focus: Self-repairing batteries

UTokyo engineers develop a way to create high-capacity long-life batteries

Engineers at the University of Tokyo continually pioneer new ways to improve battery technology. Professor Atsuo Yamada and his team recently developed a...

Im Focus: Quantum Cloud Computing with Self-Check

With a quantum coprocessor in the cloud, physicists from Innsbruck, Austria, open the door to the simulation of previously unsolvable problems in chemistry, materials research or high-energy physics. The research groups led by Rainer Blatt and Peter Zoller report in the journal Nature how they simulated particle physics phenomena on 20 quantum bits and how the quantum simulator self-verified the result for the first time.

Many scientists are currently working on investigating how quantum advantage can be exploited on hardware already available today. Three years ago, physicists...

Im Focus: Accelerating quantum technologies with materials processing at the atomic scale

'Quantum technologies' utilise the unique phenomena of quantum superposition and entanglement to encode and process information, with potentially profound benefits to a wide range of information technologies from communications to sensing and computing.

However a major challenge in developing these technologies is that the quantum phenomena are very fragile, and only a handful of physical systems have been...

Im Focus: A step towards probabilistic computing

Working group led by physicist Professor Ulrich Nowak at the University of Konstanz, in collaboration with a team of physicists from Johannes Gutenberg University Mainz, demonstrates how skyrmions can be used for the computer concepts of the future

When it comes to performing a calculation destined to arrive at an exact result, humans are hopelessly inferior to the computer. In other areas, humans are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

MS Wissenschaft startet Deutschlandtour mit Fraunhofer-KI an Bord

17.05.2019 | Veranstaltungen

Wie sicher ist autonomes Fahren?

16.05.2019 | Veranstaltungen

Chemie – das gemeinsame Element

16.05.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Integrierte Zuckermoleküle schonen Zellkulturen

17.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Erstmals Einsatz von gefäßschützendem Antikörper bei kardiogenem Schock

17.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Additive Maschinen lernen Superlegierungen kennen

17.05.2019 | Maschinenbau

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics