Assessing the quality of parameter estimates for models describing the motion of single molecules in cellular environments is an important problem in fluorescence microscopy. We consider the fundamental data model, where molecules emit photons at random times and the photons arrive at random locations on the detector according to complex point spread functions (PSFs). The random, non-Gaussian PSF of the detection process and random trajectory of the molecule make inference challenging. Moreover, the presence of other nearby molecules causes further uncertainty in the origin of the measurements, which impacts the statistical precision of estimates. We quantify the limits of accuracy of model parameter estimates and separation distance between closely spaced molecules (known as the resolution problem) by computing the Cramer-Rao lower bound (CRLB), or equivalently the inverse of the Fisher information matrix (FIM), for the variance of estimates. This fundamental CRLB is crucial, as it provides a lower bound for more practical scenarios. While analytic expressions for the FIM can be derived for static molecules, the analytical tools to evaluate it for molecules whose trajectories follow SDEs are still mostly missing. We address this by presenting a general SMC based methodology for both parameter inference and computing the desired accuracy limits for non-static molecules and a non-Gaussian fundamental detection model. For the first time, we are able to estimate the FIM for stochastically moving molecules observed through the Airy and Born & Wolf PSF. This is achieved by estimating the score and observed information matrix via SMC. We sum up the outcome of our numerical work by summarising the qualitative behaviours for the accuracy limits as functions of e.g. collected photon count, molecule diffusion, etc. We also verify that we can recover known results from the static molecule case.


翻译:评估细胞环境中单分子运动模型的参数估计质量评估参数质量是荧光显微镜分析中的一个重要问题。 我们考虑基本数据模型,即分子随机发出光子,而光子根据复杂的点分布功能(PSFs)到达探测器随机地点。检测过程的随机、非Gausian PSF 和分子的随机轨迹使推断具有挑战性。此外,其他附近分子的存在使测量来源更加不确定,从而影响估算的统计精确度。我们通过计算Cramer-Rao较低约束功能(CRLB)或相当于Fisher信息矩阵(FIM)的对应位置来量化模型的精确度估计(PSFSF)的准确度和分离分子之间的距离(称为解析问题),我们通过计算Cramer-Rao较低约束(CRLB)的精确度和分离分子的精确度的精确度的精确度的精确度的精确度的精确度限制,或相当于FFILB,这为更实际的假设提供了更低的线。我们可以通过静态分子的精确分子的解表来评估。我们通过SDE测算的直径测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测的分子的分子的分子的分子的分子的精确度和测算方法,我们通过SDEFDESDFDE测测测测测测测测测测测测测测测测测测算结果的精确的精确测算的精确测测算的精确度的精确测算方法,我们测测算的精确测算为S。

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