Машинное обучение улучшает анализ биологических изображений

Обновление: 6 августа 2023 г.
Машинное обучение улучшает анализ биологических изображений

Ученые используют микроскопию сверхвысокого разрешения для изучения ранее не открытых клеточных миров, раскрывая детали внутри клеток нанометрового масштаба. Этот метод произвел революцию в световой микроскопии и принес его изобретателям Нобелевскую премию по химии 2014 года. В рамках международного сотрудничества исследователи искусственного интеллекта из Тюбингена разработали алгоритм, который значительно ускоряет этот процесс. technology с помощью машинного обучения.

Микроскопия локализации одиночных молекул (SMLM) - это разновидность микроскопии сверхвысокого разрешения. Он включает маркировку интересующих белков флуоресцентными молекулами и использование света для одновременной активации только нескольких молекул. Используя этот трюк, можно получить несколько изображений одного и того же образца. Чтобы создать осмысленное изображение, компьютерная программа расшифровывает данные и компилирует полное изображение. Хотя этот метод можно использовать для определения местоположения молекул с высокой точностью, он имеет один серьезный недостаток - ученым требуется получить большое количество изображений, что делает процесс очень трудоемким.

В рамках международного сотрудничества команда Якоба Макке, профессора машинного обучения в университете Тюбингена, разработала новый алгоритм, который преодолевает это ограничение SMLM. Совместная работа с группой Риса в Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) Гейдельберга и командой доктора Шриниваса Тураги в исследовательском кампусе Джанелия (Вирджиния, США) была опубликована в Методы природы.

Глубокое обучение обеспечивает высокоточную локализацию одной молекулы

Алгоритм DECODE (DEep COntext DEpendent) основан на глубоком обучении: он использует нейронную сеть, которая учится на данных обучения. Однако вместо использования реальных изображений сеть в этом случае обучается на синтетических данных, сгенерированных численным моделированием. Объединив информацию о микроскопической установке и физике изображений, исследователи достигли моделирования, которое близко соответствовало полученным в реальном мире. «Нейронная сеть, которую мы обучили с использованием смоделированных данных, может, таким образом, также обнаруживать и локализовать флуорофоры на реальных изображениях», - объясняет Артур Шпайзер, который вместе с Лукасом-Рафаэлем Мюллером был ведущим автором статьи.

Одним из преимуществ DECODE является то, что он точно определяет и локализует флуорофоры при более высоких плотностях, чем это было возможно ранее. Это означает, что для одного образца требуется меньше изображений. В результате скорость визуализации может быть увеличена до десяти раз с минимальной потерей разрешения. Кроме того, DECODE может количественно определять неопределенности, поэтому сеть сама может определять, когда она не уверена в своем местонахождении.

Междисциплинарность расширяет перспективы исследований

«Эта работа свидетельствует о подходе нашего кластера передового опыта« Машинное обучение: новые перспективы для науки », - говорит Макке, председатель которого входит в кластер Тюбингена. «Изначально мы разработали идеи, лежащие в основе подхода машинного обучения, в совершенно другом контексте, но благодаря сотрудничеству с экспертами в области вычислительной микроскопии мы смогли превратить их в мощные методы анализа SMLM. данным".

Команда также создала программный пакет, реализующий алгоритм DECODE. «Программа проста в установке и бесплатна, поэтому мы надеемся, что она будет полезна для многих ученых в будущем», - добавляет д-р Йонас Райс из EMBL.

ЭЛЕ Таймс
+ сообщения
  • Самый длинный в мире бетонный велосипедный мост, напечатанный на 3D-принтере
  • Microchip представляет самый компактный в отрасли Ethernet PHY 1.6T с возможностью подключения до 800 GbE для облачных центров обработки данных, 5G и AI
  • Новый драйвер SCALE-iFlex LT Plug-and-Play от Power Integrations улучшает EconoDUAL IGBT Модули Производительность на 20%
  • EPS Global присоединяется к экосистеме партнеров Nuvoton по безопасности MCU