Rationalized deep learning super-resolution microscopy for sustained live imaging of rapid subcellular processes

显微镜 人工智能 分辨率(逻辑) 深度学习 生物系统 光学显微镜 计算机科学 材料科学 光学 计算机视觉 生物 物理 扫描电子显微镜
作者
Chang Qiao,Di Li,Yong Liu,Siwei Zhang,Kan Liu,Chong Liu,Yuting Guo,Tao Jiang,Chuyu Fang,Nan Li,Yunmin Zeng,Kangmin He,Xueliang Zhu,Jennifer Lippincott‐Schwartz,Qionghai Dai,Dong Li
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:41 (3): 367-377 被引量:212
标识
DOI:10.1038/s41587-022-01471-3
摘要

The goal when imaging bioprocesses with optical microscopy is to acquire the most spatiotemporal information with the least invasiveness. Deep neural networks have substantially improved optical microscopy, including image super-resolution and restoration, but still have substantial potential for artifacts. In this study, we developed rationalized deep learning (rDL) for structured illumination microscopy and lattice light sheet microscopy (LLSM) by incorporating prior knowledge of illumination patterns and, thereby, rationally guiding the network to denoise raw images. Here we demonstrate that rDL structured illumination microscopy eliminates spectral bias-induced resolution degradation and reduces model uncertainty by five-fold, improving the super-resolution information by more than ten-fold over other computational approaches. Moreover, rDL applied to LLSM enables self-supervised training by using the spatial or temporal continuity of noisy data itself, yielding results similar to those of supervised methods. We demonstrate the utility of rDL by imaging the rapid kinetics of motile cilia, nucleolar protein condensation during light-sensitive mitosis and long-term interactions between membranous and membrane-less organelles.
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