神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成三維圖像，以色列研發(fā)顯微鏡可觀察活細(xì)胞

據(jù)當(dāng)?shù)孛襟w日前報道，以色列理工大學(xué)成功開發(fā)出一種新型顯微鏡，能以超高分辨率展現(xiàn)活細(xì)胞的三維圖像，有望為生物學(xué)研究帶來革命性變化。

通常，生物學(xué)家利用顯微鏡呈現(xiàn)的細(xì)胞二維圖像觀察其內(nèi)部情況，而細(xì)胞本身是三維結(jié)構(gòu)，因此二維圖像無疑會丟失部分信息。

迄今為止，人們通過對研究樣本逐層掃描，然后用計算機合成三維圖形的方法來了解物體結(jié)構(gòu)。但逐層掃描過程要求被掃描對象必須在整個過程保持靜止，該局限性表明它不可能用于觀察活細(xì)胞。而標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡由于存在透鏡衍射極限，也具有局限性。

以色列理工大學(xué)研究人員開發(fā)的超分辨率三維成像系統(tǒng)名為DeepSTORM3D，它不僅能夠以10倍于標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡的分辨率繪圖，而且還能繪制研究對象的動態(tài)三維圖像。

DeepSTORM3D系統(tǒng)開發(fā)負(fù)責(zé)人約阿夫·肖特曼副教授說，通過波陣面成形的方法可以從二位圖像中獲取深度信息，該方法對相機獲得圖像中的每個分子的深度進(jìn)行編碼。然而，其存在的問題是，如果附近有多個分子，它們的圖像會在相機成像中重疊，這將大大降低空間和時間分辨率，以至于有時無法對某些研究對象獲得有用的圖像。

為了解決這個問題，研究人員將目光轉(zhuǎn)向深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，開發(fā)一種能夠產(chǎn)生自行解決方案的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將大量虛擬樣本輸入網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知道如何從現(xiàn)實的顯微鏡數(shù)據(jù)中產(chǎn)生超高分辨率的三維圖像。

研究人員使用該系統(tǒng)能夠繪制細(xì)胞的能量產(chǎn)生者——線粒體的三維圖像，并為活細(xì)胞中熒光標(biāo)記端粒成像。肖特曼表示，這項以超高分辨率繪制活細(xì)胞中生物學(xué)過程的新技術(shù)，將幫助人們擴展生物學(xué)研究的深度。

總編輯圈點

人類是個“貪心”的物種，不僅想把那些小東西看得更清晰，還想把它們看得更有“深度”。生命科學(xué)研究的發(fā)展對顯微技術(shù)提出了越來越高的要求，要空間分辨率高，要成像深度大，還要求速度快?？墒且龅竭@些，在物理上難度就很大。如果在物理這條路上走不通，能不能換一種思維方式？研究人員用了深度學(xué)習(xí)，讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“學(xué)會”從顯微鏡數(shù)據(jù)中生成三維圖像，這樣一來，人類就能從顯微鏡中看到3D版的活細(xì)胞。奇思妙想，總能從學(xué)科交叉處涌現(xiàn)。