Stereozilien: Neues KI-Tool für bessere 3D-Bilder

Hochdetaillierte Bilder der Haarsinneszellen – und insbesondere der Stereozilien – in der Cochlea: Biologen der University of California San Diego haben ein KI-Werkzeug entwickelt, bessere 3D-Ansichten liefern kann.

Das neue Werkzeug heißt Vision Analysis StereoCilia (VASCilia). Es wurde von der Postdoktorandin Yasmin Kassim, der Assistenzprofessor für Biowissenschaften Uri Manor an der University of California San Diego und ihren Kollegen entwickelt. Basis waren Deep-Learning-basierte Modelle, welche das Team vom Manor Lab mit Cochlea-Daten trainiert hat.

Das neue Werkzeug beschleunigt den Bildgebungsprozess um das 50-Fache. Außerdem dient es dazu, die zuvor langsame und arbeitsintensive manuelle Interpretation von Bildern mikroskopischer Stereozilien der Haarzellen zu automatisieren. Eine Beschreibung des Modell haben die Forschenden im Fachjournal „PLOS Biology“ veröffentlicht.

Haarzellen auf der Molekülebene analysieren

Manors Team untersucht die Strukturen und Funktionen der Haarzellen bis hin zur Ebene einzelner Moleküle mithilfe moderner Bildgebung. So wollen die Forschenden die Funktionsweise der Haarzellen unter normalen Hörbedingungen sowie in geschädigten Zuständen verstehen. „Das Verständnis, wie Stereozilienbündel im Laufe der Zeit oder nach Einwirkung bestimmter Umweltbelastungen desorganisiert werden, ist für die Hörverlustforschung von großer Bedeutung“, betonte Manor.

Um die grundlegenden biologischen Funktionen der Stereozilien zu entschlüsseln und so die Basis für neue Gentherapie-Ansätze zu schaffen, benötigen Wissenschaftler Instrumente, mit denen sie möglichst viele Zellen präzise vermessen können. Manor geht davon aus, dass es künftig mehr und mehr Gentherapien für Hörverlust geben wird.

„Das war neben dem Verständnis der Biologie dieser Zellen ein weiterer wichtiger Motivationsfaktor für die Entwicklung von VASCilia. Für Gentherapie-Experimente ermöglicht uns VASCilia, alle Zellen zu vermessen und sie sehr konsistent und genau zu quantifizieren“, erklärt der Studienleiter.

Veränderungen der Stereozilien bei Alterungsprozessen verstehen

Bei Stereozilien interpretieren längere Haare interpretieren niedrigere, kürzere Haare hingegen höhere Frequenzen. „Wir möchten besser verstehen, wie diese Muster im Krankheitsfall gestört werden, insbesondere im Hinblick auf die Hörforschung zu Lärmschäden und Alterungsprozessen“, so Manor. „Visuell lässt sich erkennen, dass sich die normalen Bündelstrukturen auflösen. Einige Zellen werden länger, andere kürzer. Wir wollen genau verstehen, wie dieser Prozess abläuft.“

VASCilia ermöglicht die Visualisierung und Quantifizierung dieser Zellen in 3D mithilfe von KI-Technologien. Die Informatikern Kassim trainierte VASCilia mit Daten von Stereozilien, die aus von Experten annotierten Datensätzen von Mäusen gewonnen wurden. Sie nutzte fünf Deep-Learning-basierte Modelle, um die Zellanalyse des Tools zu optimierten.

„Wir haben die Analysezeit für die Länge dieser Zellen um den Faktor 50 reduziert und ermöglichen so zahlreiche zusätzliche quantitative 2D- und 3D-Messungen innerhalb von Minuten – eine Arbeit, die sonst jahrelange manuelle Analysen erfordern würde“, erläuterte Kassim die Vorteile des Werkzeuges. „VASCilia kann auch andere Perspektiven generieren, beispielsweise die Ausrichtung der Zellen. Dies ist hilfreich, da sich Haarbündel nach Alterung oder Schädigung manchmal nicht mehr korrekt ausrichten. Darüber hinaus kann VASCilia subtile Muster zellulärer Desorganisation erkennen und quantifizieren, die für Menschen manuell schwer zu messen sind“, ergänzte die Erstautorin der Studie.

Atlas von Haarzellbildern – Hörforschung beschleunigen

Die Forschenden hoffen, dass der Open-Source-Charakter von VASCilia letztendlich zu einem umfassenden Atlas von Haarzellbildern der Cochlea führen wird. „Letztendlich wird diese Initiative die Entwicklung grundlegender Modelle unterstützen, die sich an verschiedene Spezies, Marker und Bildgebungsmaßstäbe anpassen lassen, um Fortschritte in der Hörforschung zu beschleunigen“, sind sich die Studienautoren sicher. (BIERMANN/ja)