Люди давно используют различные программы, чтобы редактировать фотографии, сейчас в эту сферу пришли ещё и нейронки. Однако цели у нас в основном эстетические, мы стараемся сделать так, чтобы картинка совпадала с нашим образом в голове, стандартами красоты, и в таком случае достоверность передачи визуальной информации, скорее, снижается. А для научных задач нужен обратный эффект — изменение изображения в пользу большей детальности, чёткости, резкости, чтобы воссоздать всё так, как оно есть в реальности. А как этого можно добиться, если оптика не идеальна и искажает данные? Здесь на помощь тоже пришла нейронная сеть, которая по сути разворачивает процесс создания микроскопом фотографии и находит «отпечатки пальцев» аберраций, то есть визуальных дефектов. Это решение предложили учёные Политеха Петра.
Биологи используют конфокальный микроскоп, чтобы изучать строение клеток. Однако этот оптический прибор работает не без погрешностей, ведь меняются стекла, внешние условия, система немного «гуляет» — всё это приводит к изменению итогового изображения и появлению «шумовых артефактов». Разрешение микроскопа падает, картинка получается расплывчатой, становится невозможно различить важные мелкие детали.
Для решения этой проблемы учёные создали нейронную сеть NeuroDecon, которая работает с таким параметром, как функция рассеяния точки (ФРТ, PSF), она описывает дефекты оптической системы.
Нужно понимать, что процесс формирования изображения в световом микроскопе линеен: когда A и B визуализируются одновременно, итоговая картинка равна сумме независимо отображаемых объектов. Таким образом, изображение любого объекта можно вычислить, разделив его на меньшие части, воспроизведя каждую из них и просуммировав результаты. Объект превращается в набор бесконечно малых точек. ФРТ показывает, как выглядит отдельная точка объекта на изображении, и характеризует степень размытия этой точки. А размытие возникает неслучайно и объясняется дифракцией света — отклонением волн от прямолинейного распространения при столкновении с препятствием или при прохождении через отверстия. По сути, ФРТ — это «кирпичик», из которого «строится» микроскопическая картинка. Итоговая фотография, таким образом, представляет собой набор (часто перекрывающихся) ФРТ. Соответственно, если известна ФРТ, можно высчитать, какие оптические искажения возникли, и использовать эту информацию для приближения полученной фотографии к истинному объекту.
«Мы не модифицируем наш микроскоп, не покупаем дорогие технические приспособления, а просто программным способом улучшаем изображение, делаем его по качеству сопоставимым с дорогостоящими микроскопами сверхвысокого разрешения, что будет крайне полезным для мировой науки», — отметила Екатерина Пчицкая, заведующая научно-исследовательской лабораторией анализа биомедицинских изображений и данных Политеха Петра.
Нейросеть поможет специалистам университета в изучении эндоплазматического ретикулума (ЭПР), который отвечает за синтез белков и липидов, их созревание, транспорт веществ и накопление кальция в клетках человека. ЭПР выглядит как сложная сетка, и анализировать её почти невозможно, имея плохую картинку, на которой теряются мелкие части клеток, например синапсы нейронов.
📌 Результаты исследования опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы научиться видеть невидимое!
Что ещё почитать?