Las técnicas de aprendizaje automático e Inteligencia Artificial (IA) transforman muchas áreas de la investigación científica, incluido el análisis de imágenes, avance que propicia en los últimos tiempos nuevas herramientas y aplicaciones espectaculares.
Hoy los investigadores biológicos y clínicos producen en sus microscopios e instrumentos una cantidad impresionante de datos de imágenes que requieren de nuevas herramientas de análisis automatizadas con conocimientos de ingeniería matemática y de software especializados.
La ciencia colaborativa y multidisciplinaria posibilita alianzas estratégicas entre investigadores especializados en biología y otras ciencias con diseñadores y programadores de algoritmos de IA precisos y de alto rendimiento para realizar análisis de bioimágenes y desarrollar soluciones adaptadas a las necesidades de investigaciones específicas.
En este fascinante campo participa el doctor Paul Hernández-Herrera, matemático aplicado y becario posdoctoral, quien desarrolla algoritmos para el análisis de imágenes en el Instituto de Biotecnología (IBt) de la UNAM. Entre sus trabajos destaca la creación de algoritmos para identificar y rastrear automáticamente estructuras tubulares (como neuronas, flagelos de esperma y vasos sanguíneos) a partir de imágenes en 3D.
Pionero en el uso de técnicas de aprendizaje automático y aprendizaje profundo para la identificación automatizada de objetos en imágenes microscópicas, con especial interés en estudiar cómo nadan los espermatozoides en 3D, descubrió con investigadores del IBt y de la Universidad de Bristol, Reino Unido, que el batido flagelar del espermatozoide humano es asimétrico y no simétrico como se consideró desde hace 340 años cuando Antonie van Leeuwenhuek, el padre de la microbiología, se asomó por uno de los primeros microscopios de la historia para descubrir los espermatozoides.
En entrevista con Vértigo el doctor Hernández confía que está determinado a lograr un sistema que permita procesar y analizar una gran cantidad de imágenes de forma automática mediante el uso de IA, es decir, desarrolla un software de código abierto para garantizar que sus algoritmos puedan usarlos la mayor audiencia posible.
Para este trabajo el investigador mexicano recibirá apoyo de la Iniciativa Chan Zuckerberg, del creador de Facebook y su esposa, quienes impulsan proyectos y tecnologías en beneficio de la sociedad, las cuales serán de libre acceso para todo el mundo. En esta segunda ocasión la iniciativa aporta 17.2 millones de dólares para financiar una veintena de proyectos del orbe, de los cuales el de Hernández Herrera es el único de México.
Cuenta el especialista que Chan y Zuckerberg, entre sus múltiples iniciativas, lanzaron una vez más una convocatoria dirigida a promover la interacción y la colaboración entre biólogos y expertos de IA y tecnología, porque los primeros obtienen y generan infinidad de imágenes con sus aparatos ópticos y de video y cantidades enormes de datos que no pueden manejarse manualmente: eso tomaría mucho tiempo. La idea de la pareja altruista es apoyar a distintos investigadores a escala mundial para que hagan este tipo de colaboración y sus proyectos y tecnologías sean de libre acceso para todo el mundo.
Doctor en Ciencias de la Computación por la Universidad de Houston, Hernández explica que al certamen envió una propuesta para efectuarse en cinco años. “Por fortuna seleccionaron nuestro proyecto, cinco de Europa, diez de Estados Unidos, uno de Uruguay, uno de Canadá y otro de Sudáfrica”.
Código abierto
Con amplia experiencia en el área de IA, análisis de imágenes y algoritmos, comparte: “Este tipo de proyectos de investigación son de larga duración porque tarde o temprano surgen nuevas preguntas o situaciones inesperadas. Por ejemplo la investigación sobre los espermatozoides tomó cinco años y una de las metas primarias era analizar esta gran cantidad de datos. Imposible hacerlo de manera manual. El desafío fue lograr un método automático que permitiera este tipo de análisis”.
Añade que “a veces por experimento tenemos 27 mil imágenes y en el día se analizan cinco experimentos. Son 100 mil imágenes para analizar en 24 horas. En el experimento de los espermatozoides analizamos 50 ejemplares, cada uno generando miles de imágenes. Eso nunca se había hecho. Más de un millón de imágenes que se pudieron procesar con un algoritmo específico para este tipo de imágenes de universos microscópicos. Gracias a la tecnología logramos extraer la línea central del espermatozoide en imágenes de cuatro dimensiones, descubrir las coordenadas de dónde se encuentra y la frecuencia en la que la célula sexual se mueve, la velocidad y las rotaciones”.
Metido de lleno en la IA recuerda que las matemáticas le atrajeron desde la primaria y la secundaria: esta disciplina se le dio con mucha facilidad y gusto. “Por eso estudié la licenciatura en Matemáticas en la Universidad Veracruzana (UV), donde me reforzaron el pensamiento lógico. Y esa parte de pensamiento lógico va de la mano con la computación. En el Laboratorio de Inteligencia Artificial de la UV trabajé en un proyecto de análisis y detección de cáncer cervicouterino por medio de imágenes. Me motivó. En el doctorado de la Universidad de Houston, Texas, a lo largo de seis años me apropié de importantes herramientas: matemáticas, computación, bases de algoritmos de IA, análisis de imágenes y reconocimientos de patrones”.
Uno de los grandes retos que implica el encargo de la Iniciativa Chan Zuckerberg, comenta el especialista, es que el nuevo sistema de IA que desarrollará no se quede solo en el IBt sino que sea de uso libre para todo el público, a fin de que otro investigador lo utilice.
“Si publicamos o desarrollamos algo, se pide que todos los datos sean abiertos; más que nada es compartir lo que uno tiene; y es uno de los principales requisitos que nos piden”, puntualiza.
Comprometido en el desarrollo de un software de código abierto se alista a colaborar no solo con otros investigadores e investigaciones de la UNAM en equipos de trabajo multidisciplinario con biólogos, físicos, matemáticos e ingenieros: ahora a nivel internacional cooperará en laboratorios e investigaciones de otros países donde trabajan los científicos y los tecnólogos seleccionados por la Iniciativa Chan Zuckerberg.
Los mecenas de Palo Alto, California, planean reunir a los ganadores de la primera y segunda generación del concurso para evaluar avances, proponer colaboraciones con laboratorios de distintas geografías y ver cómo pueden trabajar todos los equipos en conjunto.
El doctor Hernández considera “muy satisfactorio enterarse de que gracias a nuestra intervención los proyectos de investigación se aceleran o se concretan en tiempos breves. Así como también te lleva a descubrir cosas tan asombrosas como el nado real del espermatozoide, el cual se parece más al de un sacacorchos que al de una anguila”.
Los sistemas de IA, apunta, dejaron de ser algo del futuro y ya comienzan a formar parte de la vida cotidiana. Como ejemplo basta pensar en dispositivos inteligentes, hoy comercializados en el mundo, capaces de encender o apagar diversos aparatos del hogar con los comandos de voz; o los automóviles autónomos que se mueven de manera segura con poca o sin intervención humana.
“La IA es una ventaja para la sociedad: hay muchas cosas en las que puede ayudar. Aunque muchos piensan que quitará trabajos, lo cierto es que siempre habrá un humano en la supervisión de la computadora. No creo que perjudique a la sociedad. Por el contrario, potenciará nuestras posibilidades de una vida más plena”, concluye.
Siete avances tecnológicos de la IA en 2021
1. Automatización de procesos mediante robots Los denominados cobots o robots colaborativos son brazos robóticos de tamaño reducido que sustituyen a los robots industriales. Ocupan menos espacio y son más seguros. Además se trasladan con mayor facilidad.
2. Detección de enfermedades A la vuelta de la esquina están los sistemas de Inteligencia Artificial para la detección de enfermedades. Investigadores de China y EU ya cuentan con un dispositivo de detección de enfermedades infantiles comunes, desde una simple gripe hasta una meningitis.
3. Biometría Permite utilizar la IA para la verificación de identidad mediante el reconocimiento de datos biométricos.
4. Internet de las Cosas industrial Unido a la IA permite crear sistemas que se emplean en plantas de producción, cadenas de suministro y un sinfín de actividades.
5. Realidad aumentada Primero fueron los códigos QR, ahora la IA ya permite el reconocimiento de marcadores mucho más complejos.
6. Gemelos digitales Su creación hace uso de la IA y del machine learning para crear modelos o réplicas cada vez más fieles a la realidad y con un altísimo grado de precisión.
7. Agentes virtuales Ahora los chatbots son capaces de entender cuestiones mucho más complejas y específicas. El objetivo es que puedan responder a dudas o preguntas de los usuarios de la misma manera en que lo haría un ser humano.