Открыть

Aug 16, 2023

Nature Methods, том 20, страницы 1183–1186 (2023 г.) Процитировать эту статью

3520 Доступов

37 Альтметрика

Подробности о метриках

Open-3DSIM — это платформа реконструкции с открытым исходным кодом для трехмерной микроскопии со структурированным освещением. Мы демонстрируем его превосходные характеристики по подавлению артефактов и высокоточной реконструкции по сравнению с другими алгоритмами на различных образцах и в диапазоне уровней отношения сигнал/шум. Open-3DSIM также предлагает возможность определять ориентацию диполей, открывая новые возможности для интерпретации субклеточных структур в шести измерениях (xyzθλt). Платформа доступна в виде кода MATLAB, плагина Fiji и приложения Exe для максимального удобства пользователя.

Микроскопия структурированного освещения (SIM) является наиболее широко применяемым методом сверхвысокого разрешения в науках о жизни, поскольку она обеспечивает быструю продольную визуализацию с низкой фототоксичностью и хорошо совместима с флуоресцентным мечением1,2,3. С развитием SIM были разработаны различные алгоритмы реконструкции с открытым исходным кодом, такие как OpenSIM4, fairSIM5, SIMtoolbox6, HiFi-SIM7 и так далее. Доступность программного обеспечения с открытым исходным кодом также способствует созданию специально созданных аппаратных платформ SIM, таких как SLM-SIM8, DMD-SIM9, galvanometer-SIM10, Hessian-SIM11 и так далее. Объединение программного и аппаратного обеспечения создало открытое и продуктивное сообщество исследователей SIM.

По сравнению с 2DSIM, 3DSIM удваивает разрешение по оси z1,12,13,14, а также в плоскости xoy. Алгоритмы реконструкции 3DSIM можно найти в коммерческих системах, таких как GE OMX и Nikon N-SIM, или в программном обеспечении с открытым исходным кодом, таком как Cudasirecon1, AO-3DSIM14, SIMnoise15 и 4BSIM16. Однако коммерческие решения ограничены конкретными платформами микроскопии. Все решения с открытым исходным кодом представляют собой специализированные инструменты для решения определенных проблем с визуализацией и не подходят для общей реконструкции 3DSIM. Они также могут привести к серьезным артефактам или ухудшить удобство использования. Напротив, в области 2DSIM или однослойной 3DSIM OpenSIM4 систематически объясняет принцип реконструкции SIM; fairSIM5 интегрирует алгоритм в Фиджи, чтобы облегчить его использование исследователями-биологами; HiFi-SIM7 значительно оптимизирует результаты реконструкции и имеет удобный графический интерфейс. Отсутствие удобного многоуровневого программного обеспечения 3DSIM затрудняет доступ пользователей к нему и его использование, а серьезные артефакты ставят под сомнение точность и надежность 3DSIM. Таким образом, в области 3DSIM срочно необходим хорошо зарекомендовавший себя и удобный инструмент реконструкции 3DSIM для обеспечения его дальнейшего развития.

Чтобы удовлетворить эту потребность, мы сообщаем об Open-3DSIM, который может обеспечить превосходную и надежную многоуровневую реконструкцию 3DSIM. Мы готовим версию для Фиджи, чтобы сделать ее легко доступной для биологических пользователей; предоставлять промежуточные результаты, чтобы помочь специалистам по аппаратному обеспечению проверить свои собственные данные 3DSIM и открывать модульные исходные коды для разработчиков программного обеспечения, чтобы ускорить их будущие разработки. Путем сравнения с различными алгоритмами на различных образцах и уровнях отношения сигнал/шум (SNR) мы демонстрируем, что Open-3DSIM обеспечивает превосходную производительность благодаря оптимизации оценки параметров и спектральной фильтрации, что приводит к высокоточным реконструкциям с минимальными артефактами и сохранилась слабая информация. Кроме того, Open-3DSIM может извлекать внутреннюю информацию об ориентации диполя, раскрывая весь потенциал 3DSIM в многослойной, многоцветной, поляризационной и покадровой реконструкции со сверхвысоким разрешением.

Принцип Open-3DSIM показан на дополнительном рисунке 1 и в дополнительном примечании 1. Картина трехмерного (3D) структурированного освещения17 создается интерференцией трех лучей посредством дифракции на решетке. Затем данные трехмерного стека снимаются слой за слоем, преобразуются в частотную область и разделяются матрицей фазового разделения. Выделенные ±первые частотные компоненты смещаются для заполнения вытекающего конуса нулевой частотной составляющей, а ±вторые частотные компоненты смещаются для расширения спектрального диапазона плоскости xoy. Таким образом, 3DSIM удваивает спектральный диапазон по сравнению с широким полем зрения за счет заполнения «недостающего конуса» в функции оптического преобразования (OTF) (рис. 1 расширенных данных и дополнительные примечания 1 и 2) и получения результатов 3D со сверхразрешением.