Challenge international pour évaluer les logiciels de microscopie super-résolution

Des chercheurs de l’EPFL spécialisés dans le traitement d’images ont évalué les logiciels qui reconstruisent les images de microscopie à l’échelle nanométrique. Ils ont établi un canevas très strict et organisé un concours international. Les résultats constituent un outil novateur pour les utilisateurs. 

En octobre 2014, le prix Nobel de chimie a récompensé trois scientifiques qui ont repoussé les limites de la microscopie optique : ils ont obtenu des images de cellules avec une résolution d’une dizaine de nanomètres (millionième de millimètre). Leur prouesse repose sur une technique inédite de microscopie à fluorescence (microscopie par localisation de molécule photo-activée), qui requière l’utilisation de logiciels spécifiques d’analyse d’images. Depuis quelques années, ces logiciels ont fleuri un peu partout dans le monde de manière individuelle et sporadique, présentant des performances inégales.

A l’EPFL, des chercheurs du Laboratoire d’imagerie biomédicale (LIB), dirigé par le Prof. M. Unser, ont proposé une démarche complète permettant une comparaison équitable de ces logiciels. Ils ont organisé, un challenge international et mis à disposition des concepteurs du monde entier des données à analyser avec leur software. Résultat : il a été possible de classer la plupart des logiciels existant selon leur performance (voir résultats ici). Ce travail vient d’être publié dans Nature Methods.  

Des fluorophores qui clignotent comme une guirlande de Noël
Dans le monde de la microscopie optique, on a considéré pendant plus d’un siècle qu’il n’était pas possible d’obtenir une résolution inférieure à 200 nanomètres, en raison de la diffraction de la lumière (loi d’Abbe). En 2006, l’arrivée de la microscopie par localisation de molécule individuelle (PALM, STORM ou SMLM) a fait voler en éclats cette fameuse limite. Elle a permis d’observer des structures cellulaires à une échelle 10 fois inférieure à la microscopie conventionnelle.

Cette technique repose sur l’utilisation de fluorophores spéciaux capables de clignoter de manière aléatoire comme une guirlande de Noël. Si l’on prend des milliers d’images d’une cellule marquée avec de tels fluorophores clignotants, il n’y aura au final que quelques fluorophores activés par image. «Cela nous permet de trouver la position de chaque molécule une à une, sans être ébloui par la lumière de ses voisines. Nous pouvons ainsi reconstruire une image en super-résolution, et obtenir des résolutions allant jusqu’à 20 nanomètres», explique Daniel Sage, co-auteur de la publication.

Un challenge pour les développeurs de software
Seulement, l’analyse de milliers images requière un logiciel robuste et précis. Mais lequel choisir ? Pour évaluer les logiciels existant, une équipe internationale de chercheurs conduite par l’EPFL a mis en place un challenge, auquel ont participé la quasi totalité des concepteurs, soit plus de 30 participants. Pour la première fois, les développeurs ont utilisé les mêmes données de référence, produites artificiellement par les chercheurs du LIB. Chaque concepteur a reçu plus de 10’000 images, contenant des centaines de milliers de fluorophores. «Il s’agit de simulations de microtubules en 3D, remplis de fluorophores activés aléatoirement. Nous avons notamment reproduit plusieurs perturbations expérimentales, afin que les images générées soient le plus réalistes possible», précise Daniel Sage.

Chaque participant a fait tourner son logiciel avec ses réglages, puis a renvoyé ses résultats à l’EPFL et a obtenu un rapport d’évaluation.

Un guide pour bien choisir son logiciel
Les chercheurs de l’EPFL ont pu établir un répertoire des logiciels de localisation et évaluer leur performances selon différents critères (taux de détection, précision, résolution, rapidité d’exécution, la facilité d’utilisation, etc.). Il est désormais possible de choisir le logiciel le plus adapté pour une application définie. «C’est un peu comme lorsque vous voulez acheter un appareil photo. Selon que l’on veut qu’il soit compact, précis ou doté d’un bon zoom, on ne va pas choisir le même modèle», illustre Daniel Sage. «En somme, nous indiquons les qualités, les bémols et les différences entre les logiciels de localisation.»

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Plus d’informations :
Quantitative evaluation of software packages for single-molecule localization microscopy
, Daniel Sage, Hagai Kirshner, Thomas Pengo, Nico Stuurman, Junhong Min, Suliana Manley & Michael Unser, Nature Methods (2015) doi:10.1038/nmeth.3442

Résultats du challenge: http://bigwww.epfl.ch/smlm/
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Texte: Laure-Anne Pessina
Image: Daniel Sage