我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超靈敏熒光成像

生物體的正常運(yùn)作依賴(lài)于一系列時(shí)空協(xié)調(diào)的細(xì)胞和亞細(xì)胞活動(dòng)。觀察和記錄這些現(xiàn)象被認(rèn)為是了解它們的第一步。熒光成像的最新進(jìn)展使我們能夠以高分子特異性和高時(shí)空分辨率解析生命活動(dòng)機(jī)制，從納米尺度的細(xì)胞器相互作用，到胚胎發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞足跡，再到與特定行為同步的全腦神經(jīng)活動(dòng)。熒光成像的一個(gè)基本挑戰(zhàn)是光子探測(cè)不可避免的隨機(jī)性導(dǎo)致的光子散粒噪聲，這是由光的量子本質(zhì)決定的，光子噪聲是前沿科學(xué)觀測(cè)中繞不開(kāi)的障礙。

近期，清華大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院、自動(dòng)化系、清華-idg/麥戈文腦科學(xué)研究院團(tuán)隊(duì)在《nature biotechnology》雜志發(fā)表了題為“real-time denoising enables high-sensitivity fluorescence time-lapse imaging beyond the shot-noise limit”的研究論文，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)超靈敏熒光成像。在這項(xiàng)工作中，為了實(shí)現(xiàn)超出散粒噪聲限制的高靈敏度熒光成像，提出了deepcad-rt：一種用于實(shí)時(shí)噪聲抑制的自監(jiān)督深度學(xué)習(xí)方法。

該方法可以與顯微鏡采集系統(tǒng)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)去噪。這個(gè)方法基于深度自監(jiān)督學(xué)習(xí)，原始的低信噪比數(shù)據(jù)可以直接用于訓(xùn)練卷積網(wǎng)絡(luò)，這使得它在功能成像中特別有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闃悠氛诮?jīng)歷快速的動(dòng)態(tài)變化，而捕捉真實(shí)數(shù)據(jù)是很難或不可能的。研究者展示了多種實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)小鼠、斑馬魚(yú)和蒼蠅的鈣成像，細(xì)胞遷移觀察和新型基因編碼atp傳感器的成像，涵蓋2d單平面成像和3d體積成像。定性和定量評(píng)估表明，該方法可以顯著增強(qiáng)熒光延時(shí)成像數(shù)據(jù)，并允許對(duì)超出散粒噪聲限制的生物活動(dòng)進(jìn)行高靈敏度成像。

作為一種在多種模式動(dòng)物、多種生命過(guò)程上均表現(xiàn)出強(qiáng)大性能的去噪技術(shù)，deepcad-rt有望應(yīng)用到更多的成像場(chǎng)景中，并推進(jìn)多種成像技術(shù)的發(fā)展。