?2021年3月10日，加利福尼亞州拉霍拉，Salk研究所開發(fā)了一種名為“碎裂機(jī)”的工具，增加了深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)型顯微鏡的自由性，該技術(shù)提升了訓(xùn)練算法，可以增強(qiáng)低分辨率圖像的解讀能力。




深度學(xué)習(xí)為科學(xué)家提供了從低分辨率圖像中收集信息的潛力，否則這些信息實(shí)際上是無法獲得的。在細(xì)胞成像的情況下，獲取詳細(xì)的圖像可能會(huì)很復(fù)雜，因?yàn)樗枰豕鈼l件，這會(huì)導(dǎo)致分辨率較低的圖像。激光照射會(huì)損壞或改變細(xì)胞，進(jìn)而擴(kuò)展或破壞可從圖像中收集的信息的質(zhì)量。



“我們在這些顯微鏡上投資了數(shù)百萬美元，但我們?nèi)栽谂ο拗扑鼈兊臉O限，” Salk的Waitt先進(jìn)生物光子學(xué)核心設(shè)施負(fù)責(zé)人Uri Manor說：“這就是我們正在嘗試通過深度學(xué)習(xí)解決的問題。”



為了應(yīng)用深度學(xué)習(xí)來改善顯微鏡圖像，無論是通過提高清晰度還是解決背景噪聲，都必須在高分辨率和低分辨率圖像的示例上對系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)。在單獨(dú)的曝光中捕獲完全相同的顯微鏡圖像是困難且昂貴的。在此過程中經(jīng)常移動(dòng)的活細(xì)胞是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。







由Manor領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)沒有嘗試拍攝兩個(gè)相同的圖像，而是拍攝了一個(gè)圖像，然后對其進(jìn)行復(fù)制，并通過一種稱為“敲碎器”的機(jī)制運(yùn)行該圖像，從而對圖像進(jìn)行了降級處理。該方法使圖像看起來像團(tuán)隊(duì)將要獲得的最低的低分辨率圖像。



然后顯示了稱為點(diǎn)掃描超分辨率（PSSR）的軟件以及降級版本的高分辨率圖像。在研究了圖像之后，該系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)如何改善低質(zhì)量的圖像，而不會(huì)遇到高分辨率的圖像。



以前的系統(tǒng)從人為降級的數(shù)據(jù)中學(xué)到的東西，在呈現(xiàn)有機(jī)缺陷的數(shù)據(jù)時(shí)仍然會(huì)遇到困難。



“我們嘗試了多種不同的降解方法，但發(fā)現(xiàn)了一種切實(shí)可行的方法，” Manor說：“您可以在人工生成的數(shù)據(jù)上訓(xùn)練模型，而該模型實(shí)際上可以在現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)上工作。”



該技術(shù)還具有增強(qiáng)老式或功能較弱的顯微鏡的潛力。



“使用我們的方法，人們可以從這種強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)技術(shù)中受益，而無需花費(fèi)大量時(shí)間或資源，”懷特先進(jìn)生物光子學(xué)核心設(shè)施的圖像分析專家林靖芳說。“您可以使用現(xiàn)有的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行降級并訓(xùn)練模型以提高低分辨率圖像的質(zhì)量。”



該團(tuán)隊(duì)證明了PSSR可同時(shí)用于電子顯微鏡和熒光活細(xì)胞圖像-這兩種情況很難或不可能獲得訓(xùn)練AI系統(tǒng)所需的重復(fù)的高分辨率和低分辨率圖像。盡管該研究在腦組織圖像上展示了該方法，但Manor希望將來可以將其應(yīng)用于身體的其他系統(tǒng)。他還希望有朝一日可以使用它來使高分辨率的顯微成像變得更加廣泛，因?yàn)閺?qiáng)大的顯微鏡可能要花費(fèi)數(shù)十萬美元，甚至超過一百萬美元。



“我們對未來的愿景之一是能夠開始用深度學(xué)習(xí)替代一些昂貴的組件，這樣我們就可以開始使顯微鏡變得更便宜，更容易使用了，” Manor說。



這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然方法》上。



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