Kleine dingen groot zien
Alles wat we niet direct kunnen zien, toch in beeld brengen. Dat is de fascinatie van Fons Verbeek, de nieuwe hoogleraar Computational Bio-Imaging. Inbreng uit de chemie, optica en vooral computationele wetenschappen aan het maken en verwerken van deze beelden geeft meer inzicht in de wereld van het kleine. Oratie op 12 januari.
In de empirische wetenschap zijn waarnemingen essentieel. Maar er zijn veel dingen die zich aan de menselijke waarneming onttrekken, bijvoorbeeld omdat ze heel ver weg of heel klein zijn. Die laatste categorie, daar houdt hoogleraar Fons Verbeek zich mee bezig. ‘Om kleine dingen zichtbaar te maken, moet je ze vergroten. Daar is de microscoop voor uitgevonden, een apparaat dat inmiddels iconisch is geworden voor de wetenschap.’
Vakgebieden combineren
‘Voor microscopische beeldvorming maken we gebruik van de kennis uit heel veel vakgebieden: de natuurkunde voor kennis over optica, de biologie voor de objecten die we bekijken, vanuit de chemie komt kennis over de contrastmiddelen waar we het object in bekijken. En de elektrotechniek is van belang voor alle sensoren en elektronica in moderne microscopen.’ De beschikbaarheid van de digitale camera markeerde de opmars naar grootschaligheid. ‘Hiermee kunnen relatief snel veel beelden gemaakt worden, die we direct verder kunnen verwerken.’ Die verwerking van de beelden is het specifieke vakgebied van de computationele biologie, waarin Verbeek actief is.
3D-beeld maken
‘Als wij een object willen bestuderen, dan hebben we dit het liefst in onze handen en draaien we het rond om zo de structuur te begrijpen.’ Hoe een 3D-beeld gemaakt kan worden uit microscopische opnamen is dan ook een belangrijk aspect van Verbeeks’ onderzoeksgebied. Een eenvoudige techniek hiervoor is het object in dunne plakjes te snijden, van 2 tot 10 micrometer, en van elk plakje een microscopische opname te maken. Door die beelden vervolgens weer netjes op elkaar te stapelen, ontstaat een 3D-beeld. ‘Een andere techniek is de tomografie, die we kennen van de CT-scanner uit het ziekenhuis.’ Hierbij wordt het object onder de microscoop 360 graden gedraaid, zodat van alle kanten van het object opnames worden gemaakt. Met behulp van een computer worden deze omgezet in een 3D-beeld. ‘Zo kun je bijvoorbeeld de 3D-structuren in een cel zichtbaar maken.’
Computertechnologie
Voor al deze technieken zijn steeds krachtiger computers nodig. Maar het werkt ook omgekeerd, zegt Verbeek: ‘Als er meer rekenkracht beschikbaar is, worden nieuwe toepassingen bedacht.’ Een voorbeeld daarvan is de recente samenwerking met Naturalis. ‘We proberen hout te classificeren aan de hand van microscopische beelden van de houtanatomie. Dit laten we een computer doen, met behulp van deep learning.’ Hierbij krijgt een computer ontzettend veel voorbeelden van verschillende houtsoorten te zien, waaruit de computer zelf uiteindelijk leert soorten te herkennen. ‘Dit moet uiteindelijk een geautomatiseerd systeem opleveren, dat bij de import van hout illegaal gekapt hout op kan sporen.’ Zo gaan ontwikkelingen in computertechnologie hand in hand met die in de microscopie.
Afbeelding boven: een microscopische opname van het hout van een douglas-spar.