20.12.2025Die Forschungsgruppe um Prof. Yiming Li an der Southern University of Science and Technology (SUSTech) hat zentrale Herausforderungen bei der Anwendung der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie (SMLM) für die hochauflösende Hochdurchsatz-Bildgebung mit LiteLoc, einem skalierbaren und ressourcenschonenden, auf Deep Learning basierenden Analyseframework, adressiert. Die Arbeit mit dem Titel „Scalable and lightweight deep learning for efficient high accuracy single-molecule localization microscopy“ wurde in der internationalen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
LiteLoc Innovations
SMLM rekonstruiert hochauflösende Bilder durch die präzise Lokalisierung einzelner Fluoreszenzmoleküle über Zehntausende stochastischer Blinkbilder hinweg. Die resultierenden Datenmengen stellen hohe Anforderungen an Recheneffizienz, Datendurchsatz und Systemskalierbarkeit.
Das LiteLoc-Framework wurde mit dem Ziel entwickelt, Echtzeitfähigkeit, hohe Lokalisierungsgenauigkeit und hohen Durchsatz zu gewährleisten und überwindet dadurch mehrere kritische Engpässe bei der SMLM-Rekonstruktion mit hohem Durchsatz:
Durch die Integration neuronaler Repräsentationen mit physikalisch fundierten Vorannahmen zeigt PAMR systematische Verbesserungen gegenüber traditionellen Ansätzen:
Beschleunigte volumetrische RekonstruktionDie Rekonstruktionszeit für ein einzelnes 3D-Volumen (585 × 585 × 120 Voxel) wird von 250 s auf 28 s reduziert, was einer ungefähren 10-fachen Steigerung der Rekonstruktionsgeschwindigkeit entspricht.
Verbesserung der Auflösung jenseits der Beugungsgrenzent: Durch die Verwendung eines halbkugelförmigen Beleuchtungssystems mit 66 LEDs in Kombination mit einem 40×/0,95 NA-Objektiv erreicht PAMR eine Halbpitch-Auflösung von 137 nm lateral und 550 nm axial, was einer etwa zweifachen Verbesserung gegenüber der objektiven Beugungsgrenze entspricht.
Robuste Leistung unter Bedingungen mit geringer SichtweiteHochwertige Rekonstruktionen bleiben auch bei einer Reduzierung der Ansichtsanzahl um bis zu 75 % erhalten. Selbst bei einer Verringerung der Beleuchtungswinkel von 120 auf 30 bleibt die Rekonstruktionsqualität stabil, wobei die SSIM-Werte deutlich über denen herkömmlicher FPT-Methoden liegen.
Dhyana 400BSI V3 sCMOS-Kameraunterstützung für LiteLoc Innovations
Eine hochpräzise Signalerfassung und Bildstabilität sind entscheidend für die experimentelle Validierung fortschrittlicher Algorithmen der computergestützten Mikroskopie. Das TucsenFL 9BWDie wissenschaftliche Kamera bietet wichtige Hardwarefunktionen, die das PAMR-Framework unterstützen.
Das LiteLoc SMLM-System verwendet die Tucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS-Kamera als zentralen Bilddetektor. Die Kombination aus hohem Signal-Rausch-Verhältnis und hoher Auslesegeschwindigkeit der Kamera bietet entscheidende Hardware-Unterstützung für das Erreichen der theoretischen Lokalisierungsgrenzen und ermöglicht eine Validierung im geschlossenen Regelkreis zwischen Algorithmenentwicklung und experimenteller Bildgebung.
1. Außergewöhnliches Signal-Rausch-Verhältnis
Mit einer Quanteneffizienz (QE) von bis zu 95 % maximiert das Dhyana 400BSI V3 die effektive Erfassung von Einzelmolekül-Fluoreszenzsignalen. Sein typisches Ausleserauschen von 1,1 e⁻ (RMS) gewährleistet robuste Signal-Rausch-Verhältnisse auch bei geringer Photonendichte und bildet damit eine solide Grundlage für LiteLoc, um eine Lokalisierungsgenauigkeit nahe an den theoretischen Grenzen zu erreichen.
2. Hochgeschwindigkeits-Datenausgabe
Die Dhyana 400BSI V3 liefert Bilder in voller Auflösung mit bis zu 100 Bildern pro Sekunde bei 2048 (H) × 2048 (V) Pixeln, was einer Rohdatengenerierungsrate von ca. 550 MB/s (11 Bit) entspricht. Dieser Durchsatz entspricht nahezu der Analyserate von LiteLoc von 567 MB/s und unterstützt somit direkt die Ziele des Systems im Bereich der Hochdurchsatz-Bildgebung.
Referenzen
Fei, Y., Fu, S., Shi, W. et al. Skalierbares und ressourcenschonendes Deep Learning für effiziente, hochpräzise Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie. Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5
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