文献阅读:Fast segmentation and multiplexing imaging of organelles in live cells——基于深度学习的快速多细胞器多色成像和分割(超分辨显微领域)
摘要:
这篇论文提出了一种结合深度学习与显微成像的创新方法,突破了活细胞内多细胞器动态成像的技术瓶颈。传统荧光标记依赖“一对一”特异性染色,受限于光谱串扰和标记效率,难以实现多细胞器同步观测。本研究采用“一对多”策略,利用脂质染料尼罗红对多种膜细胞器进行非特异性染色,通过其发射光谱对膜极性的敏感性,结合转盘共聚焦显微镜的双通道比率成像(分辨率约143 nm),生成反映细胞器异质性的高时空分辨率图像数据。在此基础上,席鹏团队设计了基于注意力U-Net的深度卷积神经网络(DCNN),通过融合强度图像与光谱比率特征,成功分割出15种亚细胞结构(如线粒体、内质网、溶酶体等),并利用迁移学习实现了跨显微镜、跨细胞类型(如U2-OS、Hela)及活体组织(如果蝇睾丸)的鲁棒预测。该方法将深度学习的特征提取能力与显微成像的物理信息相结合:通过数据增强(旋转、缩放、强度扰动)提升模型泛化性,采用注意力机制增强小目标分割精度,并以二值掩膜代替强度预测规避标记偏差。相较于传统多色成像需多次曝光的低通量(0.23结构/次),该方法单次激发即可实现6-26倍的效率提升,同时降低光毒性,支持细胞分裂各阶段(间期至末期)的三维结构解析及多细胞器动态互作追踪(如线粒体裂变/融合)。
- 出版日期: 21 March, 2025
- 期刊:Nat. Commu.
- 课题组:北京大学席鹏教授团队
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