2025/12/20南方科技大学（SUSTech）の李一鳴教授率いる研究グループは、スケーラブルで軽量な深層学習ベースの解析フレームワークであるLiteLocを導入することで、単一分子局在顕微鏡（SMLM）を高スループット超解像イメージングに応用する際の主要な課題に取り組んだ。この研究成果は「効率的かつ高精度な単一分子局在顕微鏡のためのスケーラブルで軽量な深層学習」と題され、国際誌Nature Communicationsに掲載された。
ライトロック・イノベーションズ
SMLMは、数万枚のランダムな点滅フレームにわたって個々の蛍光分子を正確に特定することで、超解像画像を再構築します。その結果得られるデータ量は膨大になるため、計算効率、データスループット、およびシステムのスケーラビリティに厳しい要求が課せられます。
リアルタイム性能、高い位置特定精度、および高いスループットという主要な目標を中心に設計されたLiteLocフレームワークは、高スループットSMLM再構成におけるいくつかの重要なボトルネックを克服します。
PAMRは、神経表現と物理ベースの事前情報を統合することで、従来の手法に比べて体系的な改善を実現している。
高速体積再構成単一の3Dボリューム（585×585×120ボクセル）の再構成時間は250秒から28秒に短縮され、再構成速度が約10倍向上しました。
回折限界を超える解像度向上t: 66個のLEDを備えた半球状照明システムと40倍/0.95 NAの対物レンズを組み合わせることで、PAMRは横方向137 nm、軸方向550 nmのハーフピッチ分解能を達成し、対物レンズの回折限界を約2倍上回る性能向上を実現しました。
視界がまばらな状況下でも安定したパフォーマンスを発揮: 最大75%の視野縮小でも、高忠実度の再構成が維持されます。照明角度の数を120から30に減らしても、再構成品質は安定しており、SSIM値は従来のFPT法で得られた値を大幅に上回ります。
LiteLoc Innovations社製Dhyana 400BSI V3 sCMOSカメラのサポート
高精度信号取得と画像安定性は、高度な計算顕微鏡アルゴリズムの実験的検証にとって極めて重要である。FL 9BW科学用カメラは、PAMRフレームワークをサポートする重要なハードウェア機能を提供する。
LiteLoc SMLMシステムは、コアイメージング検出器としてTucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOSカメラを採用しています。このカメラは、高い信号対雑音比と高速読み出し性能を兼ね備えており、理論的な位置特定限界を達成するための重要なハードウェアサポートを提供するとともに、アルゴリズム開発と実験イメージング間のクローズドループ検証を可能にします。
1. 優れた信号対雑音比
量子効率（QE）が最大95%に達するDhyana 400BSI V3は、単一分子蛍光信号の効率的な収集を最大限に高めます。標準的な読み出しノイズは1.1 e⁻（RMS）であり、低光子条件下でも高い信号対雑音比を確保し、LiteLocが理論限界に近い位置特定精度を実現するための強固な基盤となります。
2. 高速データ出力
Dhyana 400BSI V3は、2048（H）×2048（V）のフル解像度で最大100fpsのフレームレートを実現し、約550MB/秒（11ビット）の生データ生成速度に相当します。このスループットは、LiteLocの解析速度である567MB/秒とほぼ一致しており、システムの高スループットイメージングという目標を直接的にサポートします。
参考文献
Fei, Y., Fu, S., Shi, W. et al. スケーラブルで軽量な深層学習による、効率的かつ高精度な単一分子局在顕微鏡法。Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5
著作権表示この記事は、科学用カメラに関する応用例を紹介することを目的としています。内容の一部は、関連する既発表の研究論文から抜粋したものです。著作権はすべて原著作者に帰属します。本資料を引用または再利用する際は、出典を明記してください。
