"Met de virtuele microscoop kun je micro-organismen sneller én beter analyseren"

In deze serie interviews laten we zien welke bijdrage projecten kunnen leveren aan FAIR Research IT. De onderzoeksteams van de projecten hebben een subsidie ontvangen van het FAIR Research IT Innovation Fund.

Micro-organismen zoals pollenkorrels bestuderen onder een virtuele microscoop, kan dat? Binnenkort wel. In het project MicroMap wordt een grote pollencollectie gedigitaliseerd en openbaar gemaakt via een online, interactieve omgeving.

Dit biedt onderzoekers en studenten wereldwijd kansen voor snellere en betere (her)analyse, training en documentatie. Bovendien kun je met de gebruiksvriendelijke software ook andere soorten micro-organismen bestuderen. Initiatiefnemer Timme Donders vertelt hoe de virtuele microscoop werkt, en hoe het project bijdraagt aan FAIR werken en open science.

Als “pollenonderzoeker” bracht Timme Donders al heel wat uren door achter een microscoop. Hij is van huis uit bioloog en doet vanuit het departement Fysische Geografie onderzoek naar vegetatieverandering. “Hoe heeft het landschap zich ontwikkeld? Hoe beïnvloedt dit ecosystemen? Zulke vragen onderzoek ik door fossiele stuifmeelkorrels onder de microscoop te analyseren. Welke pollensoorten zitten erin? In welke verhouding? Zo maak ik reconstructies van het klimaat en landschap, tot aan miljoenen jaren terug. Deze informatie wordt bijvoorbeeld gebruikt om klimaatmodellen te verbeteren.”

Tijdrovende analyses

Belangrijk onderzoek dus, maar ideaal is het analyseproces niet. “Onderzoekers zoals ik besteden 90% van de analysetijd aan het identificeren van veelvoorkomende zaken. Een preparaat zit bijvoorbeeld vaak vol berkenstuifmeel. Niet bepaald spannend, maar het moet wel geteld worden.” Daarnaast kost het veel moeite om iemand te trainen om de micro-organismen goed te analyseren. “Na een microscopische analyse weet ik niet precies wat een student heeft gedaan. Dat maakt het lastig om iemands kennis en vaardigheden te beoordelen.” Tel daarbij op dat de grote pollencollectie op de Universiteit Utrecht voor weinig mensen toegankelijk is. “Zonde, want studenten en onderzoekers zouden er wereldwijd interessante analyses mee kunnen doen.”

Samenwerking met UMCU

Om deze problemen te tackelen, speelde Donders met het idee van een virtuele microscoop. Daarmee kunnen ingescande preparaten zichtbaar en analyseerbaar gemaakt worden in een online omgeving. “Zelf miste ik echter expertise over beeldanalyse. Gelukkig organiseerde de Universiteit Utrecht een voorlopersproject rond het thema ‘imaging’. Daarin kwamen allemaal onderzoeksgroepen bij elkaar. Ik schreef me in, waarna de projectcoördinator me verwees naar een groep in het UMCU die gespecialiseerd is in microscopie en het automatisch identificeren van objecten. Deze groep werkt met grote hoeveelheden beelddata, van röntgenfoto's tot beelden vanuit de pathologie. Geen pollen dus, maar hun technieken kon ik wél gebruiken.” Om hun expertise te bundelen, startte Donders een samenwerking met de groep. Inmiddels had hij het FAIR Research IT Innovation Fund op het oog. Met input van de UMCU-programmeurs (Edwin Bennink en Christian Mol) schreef hij een voorstel voor het project MicroMap. De aanvraag werd gehonoreerd, waarna Donders als projectcoördinator een vast team vormde met de UMCU-groep.

Digitale pollen-database

In het project wordt allereerst de fysieke collectie pollen gedigitaliseerd. “We scannen alle preparaten in. Dit levert een online database op met pollen van geïdentificeerde plantensoorten. Hierdoor kunnen veel meer mensen wereldwijd ernaar kijken. Dit maakt opleiden en informatie opzoeken veel makkelijker. Bovendien leggen we hiermee deze data duurzaam vast, want zo’n pollencollectie vergaat langzaam.” De digitale referentiecollectie is vooral interessant voor mensen die met pollenkorrels werken. “Onderzoekers zoals ik, maar ook analisten van bijvoorbeeld de Pollenradar profiteren ervan. Het is specifieke kennis die veel training vereist.” Je kunt ook met preparaten werken die nog niet zijn ingescand. “Na wat uitleg digitaliseer je een preparaat met onze microscoop in een half uurtje. Dat is niets vergeleken met de tijd die de oude analysemethode kost.”

Virtuele microscoop

Parallel aan de digitale collectie, bouwt Donders’ team een virtuele microscoop. Die bestaat enerzijds uit software om microscopische beelddata slim te visualiseren (‘Pollenlabeler’), en anderzijds uit een virtuele omgeving waar mensen die beelden kunnen analyseren (MicroMap). “Met de beelden van de ingescande pollen vullen we onze database. We bouwen ook een tool om al die beelddata goed weer te geven. Dat is uitdagend, want gedetailleerde 3D-scans worden snel gigantisch. De tool knipt alleen de interessante objecten eruit. Deze beelden kan iemand in detail bekijken en er in 3D doorheen zoomen, alsof je achter de microscoop zit. Hierdoor kan iedereen de bestaande collectie analyseren via een vrij toegankelijke webpagina.” Dat is vooral handig om mensen op te leiden, aldus de onderzoeker. Zowel voor zelfstudie — studenten leren hierdoor elementen juist te classificeren — als begeleiding. “Het verbetert de onderwijskwaliteit en biedt mogelijkheden voor online onderwijs. Als studenten hun analyses doen met de Pollenlabeler, zie je precies wat ze geïdentificeerd hebben. En kennen ze een categorie niet? Dan kun je die makkelijk samen nalopen. Hun eindresultaten kunnen ze via MicroMap delen.”

Breed toepasbare tool voor analyse en opleiding

Profiteren ook onderzoekers die met andere micro-organismen dan fossielen werken van het project? Jazeker. Het team deelt namelijk de software waarmee ze de database vullen en de online omgeving maken. “Hoewel wij een virtuele omgeving rond de ingescande pollencollectie bouwen, kun je met de onderliggende code ook andere organismen digitaliseren en bestuderen. Hiermee worden beelden vanuit de microscoop ingelezen en in het juiste format gezet voor een virtuele omgeving.” Deze tool is interessant voor iedereen die micro-organismen analyseert of daar mensen in wil opleiden. “In wetenschap en praktijk wordt veel gebruikgemaakt van complexe, 3D-achtige beelden van micro-organismen. Denk aan algenanalyses voor waterkwaliteitscontroles. Of bloedcelanalyses in de medische wereld. Voor dit soort toepassingen is MicroMap een mooie oplossing die de analyses sneller, effectiever en beter reproduceerbaar maakt. Ook voor terreinen zoals forensisch onderzoek, archeologie en industrie is dit interessant. Ik ben benieuwd wie er allemaal op zullen afkomen.” Straks kan iedereen de Pollenlabeler code downloaden, hoewel voorlopig alleen via de betaalde programmeeromgeving Matlab (gratis voor UU-gebruikers). Het team wil de code in de toekomst omzetten naar een volledig open formaat, zoals Python. Verder is de tool zo gebruiksvriendelijk mogelijk gemaakt, dus zonder ingewikkelde codes. Ook kun je verschillende afbeeldingsformaten gebruiken.

Van waterkwaliteitscontroles tot bloedcelanalyse: voor allerlei toepassingen is MicroMap een mooie oplossing die microscopische analyses sneller, effectiever en beter reproduceerbaar maakt.

Beter reproduceerbaar

Kortom, MicroMap draagt op allerlei manieren bij aan FAIR werken en de open-science ambitie van de Universiteit Utrecht. Donders: “Ook maakt het de analyseresultaten van micro-organismen beter reproduceerbaar. Data worden nu gedeeld op basis van afgeleide gegevens, zoals identificaties. Maar met MicroMap deel je de originele beelden. Hierdoor kunnen anderen jouw resultaten verifiëren.” Ook verbetert het de vergelijkbaarheid van de resultaten tússen onderzoekers. “Door gegevens te digitaliseren en centraal te delen, kun je beter overeenstemming bereiken over identificaties.Het maakt (internationaal) samenwerken makkelijker.”

Het fonds als versneller

Hoe kijkt Donders naar de ‘reis’ tot nu toe? “Om zo’n idee te realiseren, moet je het leuk vinden om verder te kijken dan je gewend bent. Je moet je niet laten stoppen omdat je iets niet snapt. Door veel vragen te stellen en de juiste mensen op te zoeken, leer ik steeds meer.” In zijn vakgebied bestaat al langer de wens om het analyseproces te automatiseren en data te delen, vertelt hij. “Maar je hebt de juiste middelen en mensen nodig. Zo kon ik met het budget de UMCU-programmeurs inhuren, dat had anders niet gekund. Ook kon ik een student inhuren, Romee van der Kuil, die pollen inscande en met haar programmeerkennis de tool hielp ontwikkelen.” Initiatieven zoals het voorlopersproject rond imaging en het FAIR-fonds maken het volgens hem mogelijk om dit soort ideeën te realiseren. “Het projectplan en de deadlines geven bovendien structuur. Zonder dit fonds was het idee waarschijnlijk niet van de grond gekomen. Ik ben dankbaar voor deze kans.”

Door veel vragen te stellen en de juiste mensen op te zoeken, leer ik langzaam steeds meer.

Toekomst

Tot slot: hoe ver zijn Donders en zijn team? “Binnen het project kunnen we ongeveer de helft van onze pollen digitaliseren. De rest volgt later. De tool en online omgeving gaan hopelijk live vóór 2025.” Hij merkt nu al interesse vanuit verschillende hoeken, van geologische diensten en forensische instituten tot archeologische onderzoeksbureaus. “Van origine is mijn onderzoeksveld niet sterk verbonden met dit soort digitale onderzoekstechnieken. Dus als je zoiets ontwikkelt, trekt dat aandacht. Zeker omdat de wereld van microscopie geïnteresseerd is in automatische detectie van objecten. Deze automatisering proberen we nu ook te vervolgen met een aantal partners. Dit is een groter proces dan dit project, maar het platform dat we nu opzetten, biedt een goede basis. Door slim samen te werken, brengen we de wetenschap stap voor stap verder.”

Waarschijnlijk is de virtuele omgeving met de pollencollectie binnenkort te bekijken via: http://micromap.geo.uu.nl.