أصدرت جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس نموذج انتشار الجسر البراوني ثنائي الاتجاه لتحسين إمكانية إعادة إنتاج نتائج الصباغة الافتراضية، مما يقلل بشكل كبير من تباين الناتج
استُخدمت تقنية مطياف الكتلة التصويري (IMS) على نطاق واسع في علم الأحياء نظرًا لمزاياها المتمثلة في عدم الحاجة إلى وسم، وتمكين التصوير المتزامن للجزيئات المتعددة، ودمجها بين تحديد المواقع المكانية والقياس الكمي. بالمقارنة مع مطياف الكتلة التقليدي، يُمكن لتقنية IMS رسم خرائط للأنواع الجزيئية في الأنسجة البيولوجية بطريقة متعددة الإرسال وغير مستهدفة، مما يُتيح تصور توزيع مكونات متعددة على مستوى الأنسجة والخلايا وحتى تحت الخلايا. تُظهر الدقة المكانية العالية لتقنية IMS إمكانات كبيرة في تحديد مواقع أهداف الأدوية، والتوزيع المكاني للمستقلبات، والبحث في آليات إنتاج الأدوية، مما يُسهم في تطوير تشخيص وكشف الأمراض الرئيسية مثل السرطان النقيلي، ومرض الزهايمر، ومرض باركنسون.
يتمتع IMS بتغطية جزيئية واسعة وخصوصية كيميائية عالية، ولكنتفتقر معظم منصات IMS إلى الدقة المكانية على مستوى المجهر والتباين في مورفولوجيا الخلايا، مما يجعل من الصعب ربط الملفات الجزيئية بشكل مباشر بالميزات الخلوية الدقيقة دون معلومات إضافية.ولمعالجة هذا القيد، اقترح الباحثون طريقة متعددة الوسائط تجمع بين بيانات IMS والمجهر الضوئي، وطوروا طريقة تكامل المجهر IMS لتعزيز إمكانية تفسير بيانات IMS من خلال التوضيح المكاني لبيانات IMS، والتنبؤ بالتوزيع الجزيئي خارج العينة، واستخراج الأطياف الجزيئية المشتقة من IMS بناءً على ميزات المجهر.
ومع ذلك، فإن الاعتماد على الطرق المتعددة الوسائط على صور المجال الساطع للتلوين الكيميائي الهيستوكيميائي أو صور المناعة الفلورية يزيد من تعقيد التجربة.اقترح فريق بحثي من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA)، طريقة تلوين نسيجي افتراضية تعتمد على نموذج انتشار لتحسين الدقة المكانية وإدخال تباين مورفولوجيا الخلايا رقميًا في صور مطياف الكتلة لأنسجة بشرية خالية من الوسوم. يتيح هذا التنبؤ بالهياكل المرضية عالية الدقة لأنسجة الخلايا بناءً على بيانات IMS منخفضة الدقة، مما يُبسط سير عمل أساليب IMS متعددة الوسائط في علم الأنسجة الجزيئي.بالإضافة إلى ذلك، استخدمت الدراسة أيضًا أخذ عينات الضوضاء المُحسَّنة أثناء عملية استدلال نموذج الانتشار لتحقيق تلوين افتراضي قابل للتكرار.
وقد نُشرت نتائج البحث ذات الصلة في مجلة Science Advances تحت عنوان "التلوين الافتراضي للأنسجة الخالية من العلامات في مطيافية الكتلة التصويرية".
أبرز الأبحاث:
* تم تطبيق نموذج انتشار الجسر البراوني (BBDM) لأول مرة على بيانات IMS، مما يتيح التحويل من صور الأيونات منخفضة الدقة للأنسجة غير المسمى إلى صور تلطيخ افتراضية عالية الدقة؛
* تحسين استراتيجية أخذ العينات من الضوضاء وإدخال استراتيجية أخذ العينات المتوسطة الحتمية في عملية الانتشار الخلفي؛
* اقترح استراتيجية لاختيار القناة تعتمد على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، والتحقق من التكرار والاستخدام الفعال للمعلومات الجزيئية IMS.
عنوان الورقة:
اتبع الحساب الرسمي ورد على "Imaging Mass Spectrometry Staining" للحصول على ملف PDF كامل
مزيد من أوراق البحث الرائدة في مجال الذكاء الاصطناعي:
معالجة مسبقة لمجموعة بيانات مطياف الكتلة النسيجية الخالية من العلامات
تتضمن مجموعة البيانات المستخدمة في هذه الدراسة صورًا أيونية ملتقطة باستخدام مطياف الكتلة التصويري (صور الأيونات) لأنسجة كلى بشرية غير مُعَلَّمة، وصورًا عالية الدقة ذات مجال ساطع (صور المجال الساطع) لنفس عينات الأنسجة. جُمعت بيانات IMS لكل عينة نسيج باستخدام مسح نقطي على مستوى البكسل بمسافة جانبية قدرها 10 ميكرومتر، مما أسفر عن 1453 صورة أيونية مفردة تحتوي على قنوات نسبة الكتلة إلى الشحنة.
بعد الحصول على بيانات IMS عن طريق المسح الضوئي على مستوى البكسل، يتم تسجيل صورة المجال الساطعة لعينة الأنسجة عالية الدقة مع صورة أيون IMS المقابلة.وللمساعدة في التسجيل، حصل فريق البحث أيضًا على صور مجهرية ذاتية الفلورسنت لمقاطع الأنسجة قبل وبعد الحصول على بيانات IMS.
تقسم هذه الدراسة عملية المعالجة المسبقة لبيانات IMS الخام إلى أربع خطوات:
* تصدير البيانات الخام إلى تنسيق ثنائي مخصص وإعادة بنائها في طيف كتلة شبه محيطي؛
* تصحيح سوء محاذاة الطيف استنادًا إلى بيانات محاذاة ذروة التعريف الداخلية؛
* معايرة محور كتلة مجموعة البيانات باستخدام الكتل النظرية للقمم التي تم تحديدها داخليًا؛
* تم حساب عوامل تصحيح التطبيع لتطبيع أطياف الكتلة وصور الأيونات باستخدام طريقة التيار الأيوني الكلي وحساب متوسط طيف الكتلة لكل مجموعة بيانات بناءً على جميع وحدات البكسل.
تحتوي مجموعة البيانات المستخدمة في التجربة على بيانات صور عينات أنسجة من 14 مريضًا. من بينها، استُخدم 712 زوجًا من صور IMS-PAS المجهرية المُحسّنة من 4 مرضى لتدريب النموذج، بينما استُخدم 201 زوج من صور IMS-PAS المجهرية غير المُحسّنة من المرضى المتبقين لاختبار النموذج.
التلوين النسيجي الافتراضي استنادًا إلى نموذج انتشار الجسر البراوني ثنائي الاتجاه
في هذه الدراسة، حوّل الفريق بيانات مطياف الكتلة التصويري بدون علامات إلى صور تلوين افتراضية استنادًا إلى إطار توليد النواة لنموذج انتشار الجسر البراوني (BBDM). يختلف هذا النموذج عن تصميم الجسر البراوني التقليدي،يتبنى نموذج الانتشار تصميم جسر براوني ثنائي الاتجاه لضمان أن تكون عمليته الأمامية معاكسة لنموذج احتمالية انتشار إزالة الضوضاء الكلاسيكي، ويحقق التدهور من صورة المجال الساطع عالية الدقة المستهدفة إلى صورة إدخال IMS منخفضة الدقة.يمكن للعملية العكسية إعادة بناء الصورة المستهدفة بشكل مباشر استنادًا إلى بيانات إدخال IMS.
أيضًا،يعتمد نموذج انتشار الجسر البراوني على استراتيجية أخذ العينات المتوسطة الحتمية في مرحلة أخذ العينات، مما يحسن الاتساق والقدرة على تكرار الصور المولدة.بعد أن تصل الاستراتيجية إلى نقطة زمنية محددة، يُزال التشويش الخلفي الناتج عن عملية أخذ العينات العشوائية القياسية. مقارنةً بالنماذج التي تعتمد كليًا على الإشارات الشرطية، يُحقق نموذج انتشار الجسر البراوني تحويلًا أكثر استقرارًا للصورة. تتطلب عملية الاستدلال بأكملها بيانات IMS منخفضة الدقة فقط كمدخلات، والتي يُزيلها النموذج تدريجيًا ويُنتج صورة مصبوغة افتراضيًا عالية الدقة.
بعد التدريب، قامت الدراسة بتقييم نموذج الجسر البراوني باستخدام مجموعة بيانات اختبار أنسجة الكلى البشرية المستقلة التي لم يتم تدريبها والتحقق من صحتها.تظهر صور التلوين الافتراضية التي تم إنشاؤها بواسطة نموذج الانتشار استنادًا إلى بيانات IMS ذات الدقة المنخفضة درجة عالية من الاتساق البصري مع صور التلوين ذات المجال الساطع الحقيقي.
وفي الوقت نفسه، أظهرت هياكل الكلى الرئيسية أيضًا نتائج مماثلة للغاية في الصور الملطخة الافتراضية والصور الملطخة الحقيقية.تم التحقق بشكل كامل من قوة ومتانة إطار عمل الجسر البراوني وقدرته الجيدة على التعميم في تلوين بيانات IMS منخفضة الدقة افتراضيًا.
التقييم الكمي لأداء نموذج التلوين الافتراضي
وأكدت التجربة أن نموذج التلوين الافتراضي يتمتع بقدرات فائقة الدقة من خلال تحليل الطيف المكاني وتوزيع الألوان.يكشف تحليل الطيف المكاني أنه مقارنةً بصورة مطياف الكتلة منخفضة الدقة المدخلة، تُظهر الصورة عالية الدقة زيادةً كبيرةً نسبيًا في الطيف المكاني عبر جميع نطاقات التردد، مما يُحقق تحسنًا ملحوظًا في الدقة. علاوةً على ذلك، يتطابق متوسط طيف القدرة الشعاعي للصورة المصبوغة افتراضيًا بشكل وثيق مع متوسط طيف القدرة الشعاعي للصورة المصبوغة الحقيقية عالية الدقة، مما يُعيد إنتاج خصائص التردد المكاني للهياكل البيولوجية بدقة.
وفي الوقت نفسه، أكدت التجارب المقارنة على الصور غير المزدوجة عالية الدقة بشكل أكبر خصوصية نموذج التلوين الافتراضي.تظهر التجارب أن الخصائص الطيفية للعينات غير المزدوجة تختلف بشكل كبير عن تلك الخاصة بالنتائج المزدوجة، وأن تشابه الهيستوجرام اللوني للصور المزدوجة منخفضة الدقة وعالية الدقة أفضل بشكل كبير من العينات غير المزدوجة، مما يؤكد قدرة النموذج على إعادة إنتاج خصائص اللون المتأصلة في التلوين الكيميائي للأنسجة.
مقارنة كمية بين صور PAS الملطخة افتراضيًا والمولدة من بيانات IMS الخالية من العلامات ونظيراتها HS
عدد قنوات صور مطياف الكتلة
لدراسة تأثير عدد قنوات تصوير مطياف الكتلة على أداء نماذج التلوين الافتراضي، قارنت الدراسة استراتيجيات التلوين بأعداد متفاوتة من القنوات. قيّم فريق البحث سلسلة من نماذج التلوين الافتراضي بأعداد متفاوتة من قنوات IMS بناءً على مجموعة بيانات اختبار ثابتة. احتوت النماذج على 363 و91 و23 قناة IMS، مما يمثل انخفاضًا بمقدار 4x و16x و64x على التوالي، مقارنةً بالقنوات الأصلية البالغ عددها 1453 قناة. لكل انخفاض في القنوات، قيّمت التجربة ثلاث استراتيجيات اختيار مختلفة:
* استراتيجية أولوية نسبة الإشارة إلى الضوضاء: قم بفرز القنوات البالغ عددها 1453 بترتيب تنازلي استنادًا إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء واختر القناة ذات التصنيف الأعلى؛
نسبة الإشارة إلى الضوضاء: المتوسط/الانحراف المعياري لجميع وحدات البكسل في قناة.
* استراتيجية أولوية التردد: قم بإجراء تحويل فورييه ثنائي الأبعاد على صورة الأيون لكل قناة، وحساب نسبة متوسط قدرة المكون عالي التردد إلى المكون منخفض التردد، واختر القنوات بترتيب تنازلي بناءً على هذه النسبة؛
استراتيجية أخذ عينات موحدة: بدءًا من القناة الأولى، يتم اختيار القنوات على فترات زمنية ثابتة، مثل كل قناة رابعة لتخفيض 4x، وكل قناة سادسة عشرة لتخفيض 16x، وكل قناة 64 لتخفيض 64x. تبقى مجموعة القنوات المختارة في كل استراتيجية متسقة طوال عملية تدريب واختبار نموذجها المقابل.
وتظهر نتائج التقييم أنوبما أن عدد قنوات IMS المستخدمة انخفض من 1453 إلى 23، فقد انخفض أداء نماذج التلوين الافتراضية في ظل الاستراتيجيات الثلاث، كما فقدت ميزات رئيسية مثل مورفولوجيا النواة بشكل كبير.استخدمت الدراسة نسبة الإشارة إلى الضوضاء القصوى، وتشابه رقعة الصورة الإدراكية المكتسبة (LPIPS) ومعامل ارتباط بيرسون لإجراء تحليل كمي على مجموعة الاختبار والتحقق من ذلكتتحسن دقة نموذج التلوين الافتراضي بشكل ملحوظ مع زيادة عدد القنوات.
مقارنة بصرية للصور الملطخة الافتراضية التي تم الحصول عليها من خلال ثلاث استراتيجيات اختيار مختلفة
بالإضافة إلى ذلك، من بين استراتيجيات اختيار القنوات الثلاث،وبالمقارنة مع استراتيجية أولوية نسبة الإشارة إلى الضوضاء، واستراتيجية أولوية التردد، واستراتيجية أخذ العينات الموحدة، فإن جميعها تظهر مزايا أداء كبيرة.تم التحقق من أن نموذج التلوين الافتراضي يمكنه الحفاظ على المعلومات الجزيئية الرئيسية بشكل أكثر فعالية عندما يكون عدد القنوات صغيرًا.
أخذ عينات الضوضاء لتقليل تباين مخرجات نموذج التلوين الافتراضي
في التلوين الافتراضي القائم على نماذج الانتشار، تُصبح عشوائية أخذ عينات الضوضاء أثناء عملية الانتشار العكسي السبب الرئيسي لتقلبات نتائج المخرجات. ولمعالجة هذه التقلبات، اقترحت الدراسة استراتيجية هندسية لأخذ عينات الضوضاء لا تتطلب ضبطًا دقيقًا للنموذج. ومن خلال تجنب الارتفاع المفاجئ في تباين الضوضاء في نهاية الانتشار العكسي، يُحسّن اتساق نتائج التلوين الافتراضي تحت نفس مجال رؤية الأنسجة غير المُسمّاة. قارن فريق البحث ثلاث طرق لأخذ العينات بناءً على نموذج الجسر البراوني المُدرّب:
* أخذ العينات الفانيليا: عملية الانتشار العكسي القياسية؛
* متوسط أخذ العينات: متوسط مسار الضوضاء بعد نقطة الخروج الهندسية؛
* تخطي أخذ العينات: التنبؤ بنطاق الصورة المستهدفة لصورة المجال الساطع عالية الدقة مباشرة من خلال شبكة إزالة الضوضاء بعد نقطة خروج المشروع.
نقطة الخروج الهندسية هي عتبة زمنية حرجة تُضبط بشكل مصطنع في عملية التوليد العكسي لنموذج الانتشار. تُستخدم للتبديل بين استراتيجيات أخذ العينات العشوائية والحسابات الحتمية في مسار أخذ عينات الضوضاء، وذلك للحد من التقلبات العشوائية في نتائج المخرجات.
كررت الدراسة جميع طرق أخذ العينات الثلاث خمس مرات، وقيّمت اتساقها بحساب معاملات تباين البكسل بين عمليات التلوين الافتراضي المتكررة. وبالمقارنة مع الطريقة الأصلية، قلّلت كلٌّ من استراتيجيتي أخذ العينات المتوسطة والقفزية التباين في صور التلوين الافتراضي المُعاينة بفعالية.
بالإضافة إلى ذلك، قام الباحثون بحساب متوسط قيمة تباين البكسل لجميع البكسلات في حقل الأنسجة غير المُسمَّاة في صورة الاختبار. بناءً على النتائج، ومقارنتها بالعينة الأصلية،يمكن لاستراتيجيتي أخذ العينات المتوسطة وأخذ العينات القفزية تحقيق تباين أقل في الناتج بشكل فعال، مما يثبت أن عملية الصباغة الافتراضية القائمة على الانتشار في ظل هذه الاستراتيجية قابلة للتكرار.
وفي الوقت نفسه، تنتج استراتيجية أخذ العينات القفزية قيمًا أقل لمتوسط معامل التباين مقارنة بطريقة أخذ العينات المتوسطة.ومع ذلك، فإن استراتيجية أخذ العينات المتوسطة تنتج نتائج تظهر تشابهًا إدراكيًا أعلى مع الصور عالية الدقة لمقاطع الأنسجة الملطخة، مما يحقق متوسط التشابه المطلوب في الرقعة الإدراكية المكتسبة.
قامت الدراسة أيضًا بحساب متوسط نتائج اختبارات استدلال مختلفة على نفس مجال الأنسجة لتقييم أداء استراتيجية أخذ العينات المتوسطة بشكل أدق. أظهرت النتائج أن استراتيجية أخذ العينات المتوسطة أظهرت أداءً أفضل فقط في الحالات التي أُعطيت فيها الأولوية للاتساق العالي على تباين الصورة.
متوسط معامل التباين المحسوب لجميع حقول صورة الاختبار باستخدام استراتيجيات أخذ العينات الثلاث
نموذج جديد لتحليل التلوين الافتراضي
تبرز تقنيات التلوين الافتراضي القائمة على نماذج الانتشار كنموذج جديد لتحليل مورفولوجيا الأنسجة الخالية من العلامات. وقد حقق فريق أيدوغان أوزكان في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، سابقًا إنجازاتٍ عديدة في دمج نماذج الانتشار مع تلوين الأنسجة. في مايو 2025، استخدم الفريق نموذج انتشار الجسر البراوني لتحسين الدقة المكانية ودقة تلوين الأنسجة الافتراضية الخالية من العلامات، مُجريًا تلوينًا افتراضيًا فائق الدقة لكل بكسل على حدة للأنسجة الخالية من العلامات، متجاوزًا بذلك قيود أساليب التعلم العميق التقليدية.
قام فريق البحث بدمج تقنية أخذ العينات في عملية استدلال الصور القائمة على نموذج الانتشار، مما قلل بشكل كبير من تباين صور التلوين الافتراضي المُولّدة. عندما طبّق فريق البحث نموذج التلوين الافتراضي فائق الدقة للبكسل بشكل عشوائي على صور ذاتية الفلورسنت منخفضة الدقة لعينات أنسجة رئة بشرية غير مُسمّاة، أظهر تفوقه المستمر على الطرق التقليدية من حيث الدقة والتشابه الهيكلي والدقة الإدراكية.وتم تحقيق نجاح كبير في تحقيق دقة بكسل فائقة تصل إلى 4 إلى 5 مرات.يوفر هذا البحث طريقًا جديدًا بإمكانيات كبيرة للبحث في مجال التشخيص السريري.
التلوين الافتراضي فائق الدقة لمقاطع الأنسجة غير الموسومة استنادًا إلى نمذجة الانتشار
نُشرت نتائج البحث في مجلة Nature Communications تحت عنوان "التلوين الافتراضي فائق الدقة للبكسل للأنسجة الخالية من العلامات باستخدام نماذج الانتشار".
عنوان الورقة:
https://www.nature.com/articles/s41467-025-60387-z
أدى التقدم المستمر في الذكاء الاصطناعي في تقنية تلوين الأنسجة الافتراضية إلى تقليص الخطوات المملة المتبعة في التلوين الكيميائي النسيجي التقليدي. ولمعالجة احتمالية ظهور الهلوسة والتشوهات في صور الأنسجة المصبوغة افتراضيًا، اقترح فريق أيدوغان أوزكان نموذجًا مستقلًا لتقييم الجودة والهلوسة (AQuA) لتلوين الأنسجة الافتراضية وعلم الأمراض الرقمي.
تتمكن AQuA من اكتشاف القيمة الحقيقية للتلوين الكيميائي الهيستولوجي دون الحاجة إلى الحصول على القيمة الحقيقية للتلوين الكيميائي الهيستولوجي.حقق النظام دقة مستقلة بلغت 99.81 TP3T في اكتشاف صور الأنسجة الملطخة الافتراضية المقبولة وغير المقبولة، وحقق اتفاقًا بنسبة 98.51 TP3T مع نتائج التقييم اليدوي من قبل أخصائيي علم الأمراض المعتمدين.ويظهر قدرة واسعة على التكيف عبر مجموعة متنوعة من صور الأنسجة البشرية الملطخة كيميائياً وافتراضياً.
يُعزز هذا الإطار موثوقية تلطيخ الأنسجة الافتراضية، ويُوفر ضمان جودة مستقل لمهام توليد الصور وتحويلها في علم الأمراض الرقمي والتصوير الحاسوبي. نُشرت نتائج البحث، بعنوان "إطار عمل متين وقابل للتطوير للكشف عن الهلوسة في تلطيخ الأنسجة الافتراضية وعلم الأمراض الرقمي"، في مجلة Nature Biomedical Engineering.
عنوان الورقة:
https://www.nature.com/articles/s41551-025-01421-9
إلى جانب تقنية التلوين الافتراضي، تشهد تطبيقات الذكاء الاصطناعي في التشخيص السريري توسعًا غير مسبوق في نطاقها وعمقها. يُسهم التكامل الفعال لنماذج الذكاء الاصطناعي لكميات هائلة من البيانات الطبية في تحسين دقة التنبؤ المبكر بمخاطر الأمراض الخطيرة، مثل السرطان. وإلى جانب تحسين الكفاءة السريرية، يُحدث الذكاء الاصطناعي تحولًا تدريجيًا في نماذج التقييم الطبي التقليدية، واتخاذ القرارات، والعلاج.