Efficient high-resolution refinement in cryo-EM with stochastic gradient descent

预处理程序 随机梯度下降算法 计算机科学 算法 对角线的 估计员 趋同(经济学) 梯度下降 投影(关系代数) 数学优化 数学 人工智能 迭代法 人工神经网络 统计 几何学 经济 经济增长
作者
Bogdan Toader,Marcus A. Brubaker,Roy R. Lederman
标识
DOI:10.1107/s205979832500511x
摘要

Electron cryo-microscopy (cryo-EM) is an imaging technique that is widely used in structural biology to determine the three-dimensional structure of biological molecules from noisy two-dimensional projections with unknown orientations. As the typical pipeline involves processing large amounts of data, efficient algorithms are crucial for fast and reliable results. The stochastic gradient descent (SGD) algorithm has been used to improve the speed of ab initio reconstruction, which results in an initial, low-resolution estimation of the volume representing the molecule of interest, but has yet to be applied successfully in the high-resolution regime, where expectation–maximization algorithms achieve state-of-the-art results, at a high computational cost. In this article, we investigate the conditioning of the optimization problem and show that the large condition number prevents the successful application of gradient descent-based methods at high resolution. Our results include a theoretical analysis of the condition number of the optimization problem in a simplified setting where the individual projection directions are known, an algorithm based on computing a diagonal preconditioner using Hutchinson's diagonal estimator and numerical experiments showing the improvement in the convergence speed when using the estimated preconditioner with SGD. The preconditioned SGD approach can potentially enable a simple and unified approach to ab initio reconstruction and high-resolution refinement with faster convergence speed and higher flexibility, and our results are a promising step in this direction.

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