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







深度學(xué)習為科學(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(wú)法獲得的。在細胞成像的情況下，獲取詳細的圖像可能會(huì )很復雜，因為它需要弱光條件，這會(huì )導致分辨率較低的圖像。激光照射會(huì )損壞或改變細胞，進(jìn)而擴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百萬(wàn)美元，但我們仍在努力限制它們的極限，” Salk的Waitt先進(jìn)生物光子學(xué)核心設施負責人Uri Manor說(shuō)：“這就是我們正在嘗試通過(guò)深度學(xué)習解決的問(wèn)題?！?/span>



為了應用深度學(xué)習來(lái)改善顯微鏡圖像，無(wú)論是通過(guò)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進(jìn)行培訓。在單獨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(guò)程中經(jīng)常移動(dòng)的活細胞是一個(gè)很大的挑戰。







由Manor領(lǐng)導的團隊沒(méi)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)行復制，并通過(guò)一種稱(chēng)為“敲碎器”的機制運行該圖像，從而對圖像進(jìn)行了降級處理。該方法使圖像看起來(lái)像團隊將要獲得的最低的低分辨率圖像。



然后顯示了稱(chēng)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，該系統能夠學(xué)習如何改善低質(zhì)量的圖像，而不會(huì )遇到高分辨率的圖像。



以前的系統從人為降級的數據中學(xué)到的東西，在呈現有機缺陷的數據時(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)現了一種切實(shí)可行的方法，” Manor說(shuō)：“您可以在人工生成的數據上訓練模型，而該模型實(shí)際上可以在現實(shí)世界的數據上工作?！?/span>



該技術(shù)還具有增強老式或功能較弱的顯微鏡的潛力。



“使用我們的方法，人們可以從這種強大的深度學(xué)習技術(shù)中受益，而無(wú)需花費大量時(shí)間或資源，”懷特先進(jìn)生物光子學(xué)核心設施的圖像分析專(zhuān)家林靖芳說(shuō)?！澳梢允褂矛F有的高質(zhì)量數據，對其進(jìn)行降級并訓練模型以提高低分辨率圖像的質(zhì)量?！?/span>



該團隊證明了PSSR可同時(shí)用于電子顯微鏡和熒光活細胞圖像-這兩種情況很難或不可能獲得訓練AI系統所需的重復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(lái)可以將其應用于身體的其他系統。他還希望有朝一日可以使用它來(lái)使高分辨率的顯微成像變得更加廣泛，因為強大的顯微鏡可能要花費數十萬(wàn)美元，甚至超過(guò)一百萬(wàn)美元。



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



這項研究發(fā)表在《自然方法》上。



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