Fra analog til digital:Anatomisk forskning ved hjælp af kunstig intelligens

Der var engang, for ikke så længe siden, hvor videnskabsmænd som Casey Holliday havde brug for skalpeller, sakse og endda deres egne hænder til at udføre anatomisk forskning. Men nu, med de seneste fremskridt inden for teknologi, bruger Holliday og hans kolleger ved University of Missouri kunstig intelligens (AI) til at se inde i et dyr eller en person – ned til en enkelt muskelfiber – uden nogensinde at lave et snit.

Holliday, en lektor i patologi og anatomiske videnskaber, sagde, at hans laboratorium på MU School of Medicine er et af kun en håndfuld laboratorier i verden, der i øjeblikket bruger denne højteknologiske tilgang.

AI kan lære computerprogrammer at identificere en muskelfiber i et billede, såsom en CAT-scanning. Derefter kan forskere bruge disse data til at udvikle detaljerede 3-D computermodeller af muskler for bedre at forstå, hvordan de arbejder sammen i kroppen for motorisk kontrol, sagde Holliday.

Holliday gjorde det sammen med nogle af hans nuværende og tidligere elever for nylig, da de begyndte at studere en krokodilles bidekraft.

"Det unikke ved krokodillehoveder er, at de er flade, og de fleste dyr, der har udviklet sig til at bide virkelig hårdt, som hyæner, løver, T. rexes og endda mennesker har virkelig høje kranier, fordi alle de kæbemuskler er orienteret lodret." sagde Holliday. "De er designet på den måde, så de sætter en stor lodret bidekraft ind i, hvad de end spiser. Men en krokodilles muskler er orienteret mere vandret."

3D-modellerne af muskelarkitektur kunne hjælpe holdet med at bestemme, hvordan musklerne er orienteret i krokodillehoveder for at hjælpe med at øge deres bidekraft. Med til at lede denne indsats er en af ​​Hollidays tidligere studerende, Kaleb Sellers, som nu er postdoc-forsker ved University of Chicago.

"Kæbemuskler er længe blevet undersøgt hos pattedyr med den antagelse, at relativt simple beskrivelser af muskelanatomi kan fortælle dig meget om kraniets funktion," sagde Sellers. "Denne undersøgelse viser, hvor kompleks kæbemuskelanatomi er i en krybdyrgruppe."

Hollidays laboratorium begyndte først at eksperimentere med 3D-billeddannelse for flere år siden. Nogle af deres tidlige resultater blev offentliggjort i 2019 med en undersøgelse i Integrative Organismal Biology der viste udviklingen af ​​en 3-D model af skeletmusklerne i en europæisk stær.

Overgang til en digital verden

Historisk set sagde Holliday, at anatomisk forskning - og meget af det, han lavede, da han voksede op - involverede dissekere af dyr med en skalpel eller saks, eller hvad han kalder en "analog" tilgang. Han blev først introduceret til fordelene ved at bruge digital billedbehandling til at studere anatomi, da han sluttede sig til projektet "Sue the T. rex" i slutningen af ​​1990'erne. Til dato er det stadig et af de største og mest velbevarede Tyrannosaurus rex-eksemplarer, der nogensinde er blevet opdaget.

Holliday minder om det øjeblik, hvor T. rex' gigantiske kranie blev transporteret til Boeings Santa Susana Field Laboratory i Californien for at blive afbildet i en af ​​flyselskabets massive CAT-scannere, der normalt bruges til at scanne jetmotorer på kommercielle fly.

"På det tidspunkt var det den eneste CAT-scanner i verden, der var stor nok til at passe til et T. rex-kranie, og den havde også den nødvendige kraft til at skubbe røntgenstråler gennem sten," sagde Holliday. "Da jeg kom ud af universitetet, havde jeg overvejet at blive radiologitekniker, men med Sue-projektet lærte jeg alt om, hvordan de CAT scannede denne ting, og det fangede virkelig min lyst."

I dag sagde Holliday, at mange af hans nuværende og tidligere studerende på MU lærer at forstå anatomi ved at bruge de "banebrydende" billeddannelses- og modelleringsmetoder, som han og hans kolleger skaber. En af disse studerende er Emily Lessner, en nylig MU-alumne, som udviklede sin passion for "længst døde dyr" ved at arbejde i Hollidays laboratorium.

"Digitaliseringsprocessen er ikke kun nyttig for vores laboratorium og forskning," sagde Lessner. "Det gør vores arbejde delbart med andre forskere for at hjælpe med at fremskynde videnskabelige fremskridt, og vi kan også dele dem med offentligheden som uddannelses- og bevarelsesværktøjer. Specifikt har mit arbejde med at se på blødt væv og knoglekorrelater i disse dyr ikke kun skabt hundredvis af fremtidige spørgsmål at besvare, men afslørede også mange ubekendte. På den måde fik jeg ikke kun billeddannelsesfærdigheder til at hjælpe med mit fremtidige arbejde, men jeg har nu mere end en karriere værd af muligheder at udforske."

Holliday sagde, at der også er planer om at tage deres 3-D anatomiske modeller et skridt videre ved at studere, hvordan menneskelige hænder har udviklet sig fra deres evolutionære forfædre. Projektet, som stadig er i sin spæde fase, modtog for nylig en bevilling fra Leakey Fonden. To af hans kolleger på MU slutter sig til Holliday i projektet, Carol Ward, en kuratorer Distinguished Professor i patologi og anatomiske videnskaber, og Kevin Middleton, en lektor i biologiske videnskaber.

Mens omkring 90 % af den forskning, der udføres i Hollidays laboratorium, involverer at studere ting, der findes i den moderne verden, sagde han, at de data, de indsamler, også kan informere fossiloptegnelsen, såsom yderligere viden om, hvordan T. rex bevægede sig og fungerede.

"Med bedre viden om den faktiske muskelanatomi kan vi virkelig finde ud af, hvordan T. rex virkelig kunne udføre finmotoriske kontroller og mere nuanceret adfærd, såsom bidekraft og fodringsadfærd," sagde Holliday. + Udforsk yderligere

Opbygning af en bedre alligator:Forskere udvikler avancerede 3D-modeller af biddata