2025/12/20Pietų mokslo ir technologijos universiteto (SUSTech) prof. Yimingo Li vadovaujama tyrimų grupė, pristatydama „LiteLoc“ – keičiamo dydžio ir lengvą gilaus mokymosi pagrindu veikiančią analizės sistemą, sprendė pagrindinius iššūkius, kylančius taikant vienos molekulės lokalizacijos mikroskopiją (SMLM) didelio našumo itin didelės skiriamosios gebos vaizdavimui. Darbas pavadinimu „Keičiamas ir lengvas gilusis mokymasis efektyviai didelio tikslumo vienos molekulės lokalizacijos mikroskopijai“ buvo paskelbtas tarptautiniame žurnale „Nature Communications“.
„LiteLoc“ inovacijos
SMLM rekonstruoja itin didelės skiriamosios gebos vaizdus tiksliai lokalizuodamas pavienes fluorescencines molekules dešimtyse tūkstančių stochastinių mirksėjimo kadrų. Gauti duomenų kiekiai kelia griežtus reikalavimus skaičiavimo efektyvumui, duomenų pralaidumui ir sistemos mastelio keitimui.
Sukurta atsižvelgiant į pagrindinius tikslus – realaus laiko našumą, didelį lokalizacijos tikslumą ir didelį našumą – „LiteLoc“ sistema įveikia keletą kritinių kliūčių, susijusių su didelio našumo SMLM rekonstrukcija:
Integruodamas neuroninius atvaizdavimus su fizikos pagrindu sukurtais pirminiais metodais, PAMR demonstruoja sisteminius patobulinimus, palyginti su tradiciniais metodais:
Pagreitinta tūrinė rekonstrukcijaVieno 3D tūrio (585 × 585 × 120 vokselių) rekonstrukcijos laikas sutrumpėja nuo 250 s iki 28 s, o tai atitinka maždaug 10 kartų didesnį rekonstrukcijos greitį.
Skiriamosios gebos padidinimas už difrakcijos ribost: Naudodama pusrutulio apšvietimo sistemą su 66 šviesos diodais kartu su 40×/0,95 NA objektyvu, PAMR pasiekia 137 nm pusės žingsnio skiriamąją gebą horizontaliai ir 550 nm ašine kryptimi, o tai yra maždaug dvigubai geriau, palyginti su objektyvo difrakcijos riba.
Tvirtas veikimas esant prastam matomumuiDidelio tikslumo rekonstrukcijos išlaikomos iki 75 % sumažinant vaizdą. Sumažinus apšvietimo kampų skaičių nuo 120 iki 30, rekonstrukcijos kokybė išlieka stabili, o SSIM vertės gerokai viršija tas, kurios gaunamos naudojant įprastus FPT metodus.
„Dhyana 400BSI V3 sCMOS“ kameros palaikymas „LiteLoc Innovations“
Didelės raiškos signalo gavimas ir vaizdo stabilumas yra labai svarbūs eksperimentiniam pažangių skaičiavimo mikroskopijos algoritmų patvirtinimui. „Tucsen“FL 9BWMokslinė kamera suteikia pagrindines aparatinės įrangos galimybes, kurios palaiko PAMR sistemą.
„LiteLoc SMLM“ sistemoje kaip pagrindinis vaizdo detektorius naudojama „Tucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS“ kamera. Kameros didelis signalo ir triukšmo santykis bei didelės spartos nuskaitymas suteikia kritinę aparatinę paramą teorinėms lokalizacijos riboms pasiekti ir leidžia atlikti uždaros grandinės patvirtinimą tarp algoritmo kūrimo ir eksperimentinio vaizdavimo.
1. Išskirtinis signalo ir triukšmo santykis
„Dhyana 400BSI V3“, kurio kvantinis efektyvumas (QE) siekia iki 95 %, maksimaliai padidina efektyvų vienos molekulės fluorescencijos signalų surinkimą. Tipinis 1,1 e⁻ (RMS) nuskaitymo triukšmas užtikrina tvirtą signalo ir triukšmo santykį esant mažam fotonų skaičiui, sudarydamas tvirtą pagrindą „LiteLoc“ pasiekti lokalizacijos tikslumą, artimą teorinėms riboms.
2. Didelės spartos duomenų išvestis
„Dhyana 400BSI V3“ teikia didelės raiškos vaizdus iki 100 kadrų per sekundę greičiu, esant 2048 (H) × 2048 (V) raiškai, o tai atitinka maždaug 550 MB/s (11 bitų) neapdorotų duomenų generavimo spartą. Šis pralaidumas beveik atitinka „LiteLoc“ 567 MB/s analizės spartą, tiesiogiai palaikydamas sistemos didelio našumo vaizdavimo tikslus.
Nuorodos
Fei, Y., Fu, S., Shi, W. ir kt. Keičiamo dydžio ir lengvas gilusis mokymasis efektyviai didelio tikslumo vienos molekulės lokalizacijos mikroskopijai. Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5
Autorių teisių pranešimasŠiame straipsnyje pateikiamos mokslinių kamerų taikymo nuorodos. Kai kurios turinio dalys yra ištraukos iš atitinkamų paskelbtų mokslinių straipsnių. Visos autorių teisės priklauso originaliems autoriams. Cituojant arba pakartotinai naudojant šią medžiagą, nurodykite šaltinį.
