Cryo-electron microscopy (cryo-EM) is a widely used technique for recovering the 3-D structure of biological molecules from a large number of experimentally generated noisy 2-D tomographic projection images of the 3-D structure, taken from unknown viewing angles. Through computationally intensive algorithms, these observed images are processed to reconstruct the 3-D structures. Many popular computational methods rely on estimating the unknown angles as part of the reconstruction process, which becomes particularly challenging at low signal-to-noise ratios. The method of moments (MoM) offers an alternative approach that circumvents the estimation of viewing orientations of individual projection images by instead estimating the underlying distribution of the viewing angles, and is robust to noise given sufficiently many images. However, the method of moments typically entails computing higher-order moments of the projection images, incurring significant computational and memory costs. To mitigate this, we propose a new approach called the subspace method of moments (SubspaceMoM), which compresses the first three moments using data-driven low-rank tensor techniques as well as expansion into a suitable function basis. The compressed moments can be efficiently computed from the set of projection images using numerical quadrature and can be employed to jointly reconstruct the 3-D structure and the distribution of viewing orientations. We illustrate the practical applicability of SubspaceMoM through numerical experiments using up to the third-order moment on synthetic datasets with a simplified cryo-EM image formation model, which significantly improves the reconstruction resolution compared to previous MoM approaches.


翻译:冷冻电子显微镜(cryo-EM)是一种广泛应用的技术,用于从大量实验生成的、从未知视角拍摄的三维结构噪声二维断层投影图像中恢复生物分子的三维结构。通过计算密集型算法,这些观测图像被处理以重建三维结构。许多主流计算方法依赖于在重建过程中估计未知视角,这在低信噪比条件下尤为困难。矩方法(MoM)提供了一种替代途径,通过估计视角的底层分布而非单个投影图像的拍摄方位来规避视角估计问题,且在图像数量充足时对噪声具有鲁棒性。然而,矩方法通常需要计算投影图像的高阶矩,导致显著的计算与内存开销。为缓解此问题,我们提出一种名为子空间矩方法(SubspaceMoM)的新方法,该方法通过数据驱动的低秩张量技术及在适当函数基上的展开,对前三阶矩进行压缩。压缩后的矩可通过数值积分从投影图像集中高效计算,并可用于联合重建三维结构与视角分布。我们通过使用简化冷冻电镜成像模型的合成数据集进行最高三阶矩的数值实验,证明了SubspaceMoM的实际适用性,其重建分辨率较先前矩方法有显著提升。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
Phase-aware Speech Enhancement with Deep Complex U-Net
VIP会员
相关资讯
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员