Como o MOSAIC da UC Berkeley gera 4 terabytes por hora e exige IA

Quatro terabytes de dados por hora. Esse número não vem de um supercomputador nem de um satélite, e sim de dois microscópios operando 24 horas por dia numa sala sem janelas em Berkeley, registrando em vídeo o que acontece dentro de células vivas.

As imagens são impressionantes. Nenhum grupo de pesquisa consegue analisar um volume assim de filmagens. Os cientistas de Berkeley sabem que os seus equipamentos ficaram bons demais - e agora estão criando algo novo para conseguir acompanhar.

Muitos microscópios em um só

O instrumento se chama MOSAIC, sigla de Microscópio Óptico Multimodal com Correção Adaptativa de Imagem. O MOSAIC reúne cerca de uma dúzia de “estilos” de microscopia numa única máquina, alternáveis com o apertar de um botão.

O projeto foi liderado por Srigokul “Gokul” Upadhyayula, professor assistente de biologia molecular e celular na University of California, Berkeley (UC Berkeley). Ele trabalhou em conjunto com Eric Betzig, professor de física e biologia celular em Berkeley.

Betzig recebeu o Prémio Nobel de Química de 2014 pela microscopia de fluorescência de super-resolução - uma técnica capaz de visualizar moléculas individuais no interior de células vivas.

Essa abordagem agora integra o MOSAIC, ao lado da microscopia de folha de luz em rede (lattice light-sheet), um método mais suave desenvolvido em trabalhos posteriores e que funciona como a espinha dorsal do equipamento.

Mais de uma dezena de laboratórios pelo mundo já montou as suas próprias versões com base em pré-publicações e instruções detalhadas que a equipa de Berkeley vem partilhando há seis anos. O desenho deixou de ser um protótipo.

Observando células em 5D

A maioria das imagens que vemos é plana: duas dimensões congeladas no tempo. Já o que o MOSAIC gera é de outra natureza. Betzig define esse registo como cinco-dimensional: três dimensões do espaço, mais o tempo, mais a cor.

A “cor” vem de marcadores fluorescentes que os pesquisadores ligam a estruturas celulares específicas. Se as mitocôndrias forem marcadas com uma cor e as membranas com outra, elas surgem juntas no ecrã enquanto se deslocam, se dividem e interagem.

Uma única célula tem, aproximadamente, 40 milhões de moléculas de proteína distribuídas por cerca de 20.000 tipos. Analisá-las uma a uma é um jogo perdido. O MOSAIC acompanha tantas em simultâneo quanto a óptica permitir.

Eventos celulares raros vêm à tona

Num dos testes, a equipa acompanhou por 24 horas uma placa de células de rim de porco a crescer e a dividir-se, reunindo cerca de 1,5 milhão de instantâneos 3D de núcleos. A maioria das células comportou-se como os livros descrevem. Algumas, não.

Uma célula dividiu-se em três células-filhas em vez de duas - um fenómeno chamado mitose tripolar. Pesquisadores já haviam relatado essas divisões estranhas antes, mas ninguém tinha filmado uma com este nível de detalhe tridimensional.

Por ser suficientemente suave, o MOSAIC permitiu continuar a observação das três células-filhas incomuns até que, por fim, elas morressem. Ao longo de milhares de células, a máquina consegue capturar tanto os padrões típicos quanto os raros desvios.

A cicatrização a acontecer em tempo real

Um vídeo particularmente marcante registou as primeiras 12 horas de uma larva de peixe-zebra a regenerar a barbatana caudal amputada. O animal permaneceu vivo durante todo o processo, e a imagem foi delicada o bastante para que a recuperação seguisse normalmente.

Rever a gravação exigiu meses. Só então os pormenores apareceram: células próximas à lesão libertando minúsculos “pacotes” de comunicação e fibras sob a pele a deslocarem-se conforme o tecido se reconstruía.

O material também mostrou duas células de reparo a fundirem-se numa só. Em determinado momento, uma hemácia ficou brevemente presa enquanto um novo vaso se formava.

Fazer imagem dentro de um animal vivo só funciona quando se corrigem as distorções provocadas pelo próprio tecido. Um estudo anterior já tinha demonstrado como ajustar a óptica em tempo real para manter a nitidez dentro de material turvo.

O MOSAIC produz petabytes de imagens

Um único experimento com o MOSAIC pode gerar de 30 a 100 terabytes de dados, e o microscópio consegue recolher 4 terabytes numa hora. Ao longo de meses, o total sobe para a escala de petabytes - o suficiente para preencher centenas de milhares de milhões de páginas.

Nenhum cérebro humano consegue processar dados em cinco dimensões. Mesmo um biólogo experiente, ao estudar um único filme de 12 horas, pode gastar meses para entender o que ele revela.

O microscópio ficou bom demais. Em termos simples, esse é o problema que hoje consome grande parte do esforço da equipa de Berkeley.

IA para ajudar a “ler” as células

O plano é treinar um modelo visão-linguagem - um sistema semelhante ao ChatGPT, mas construído em torno de filmes 3D de células em vez de texto. Assim, um pesquisador poderia perguntar quantas células imunitárias entraram numa ferida, e o sistema devolveria a resposta.

“Biologia está a entrar numa era em que os dados são complexos e grandes demais para serem interpretados apenas por inspeção humana”, disse Upadhyayula. O trabalho passa pelo Advanced Bioimaging Center de Berkeley.

As ferramentas atuais de IA para imagem não foram feitas para isto - lidam com fotos 2D planas, e não com volumes 3D que mudam ao longo do tempo em múltiplas cores. Berkeley está a desenvolver um novo tipo de sistema analítico em paralelo com o novo microscópio.

Microscópio MOSAIC e o Observatório de Células

Sem um parceiro de IA, os microscópios do MOSAIC geram dados que, em grande parte, ficam por ler. Com esse parceiro, o sistema pode responder a perguntas que os biólogos antes não conseguiam fazer - sobre células cancerosas a sair de um tumor e sobre eventos de divisão que não havia como estudar.

A equipa também trabalha em químicas que marcam componentes celulares específicos para que a IA consiga reconhecê-los.

Métodos anteriores de expansão, que ampliam fisicamente o tecido, também foram incorporados para amostras densas em que a luz não penetra com facilidade.

O plano de longo prazo trata a microscopia como a astronomia. Uma instalação centralizada - o Observatório de Células - operaria as máquinas, realizaria a análise e devolveria os resultados aos biólogos, da mesma forma que observatórios atendem astrónomos.

O gargalo mudou. Já não é a óptica. É a interpretação. A equipa de Berkeley construiu um dos microscópios mais exigentes da área e transformou o novo gargalo em parte do seu próprio trabalho.