The number of noisy images required for molecular reconstruction in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) is governed by the autocorrelations of the observed, randomly-oriented, noisy projection images. In this work, we consider the effect of imposing sparsity priors on the molecule. We use techniques from signal processing, optimization, and applied algebraic geometry to obtain new theoretical and computational contributions for this challenging non-linear inverse problem with sparsity constraints. We prove that molecular structures modeled as sums of Gaussians are uniquely determined by the second-order autocorrelation of their projection images, implying that the sample complexity is proportional to the square of the variance of the noise. This theory improves upon the non-sparse case, where the third-order autocorrelation is required for uniformly-oriented particle images and the sample complexity scales with the cube of the noise variance. Furthermore, we build a computational framework to reconstruct molecular structures which are sparse in the wavelet basis. This method combines the sparse representation for the molecule with projection-based techniques used for phase retrieval in X-ray crystallography.


翻译:在单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)中,用于分子重建的嘈杂图像数量由观察到的随机定向、嘈杂的投影图像的自相关性所决定。在本文中,我们考虑施加稀疏先验对分子的影响。我们使用信号处理、优化和应用代数几何的技术,为这个具有挑战性的非线性逆问题提供了新的理论和计算贡献,同时考虑了稀疏约束。我们证明了分子结构建模为高斯和的模型可以通过它们的投影图像的二阶自相关唯一确定,这意味着样本复杂度与噪声方差的平方成正比。这个理论改进了非稀疏情况,其中需要均匀定向粒子图像的三阶自相关,并且样本复杂度与噪声方差的立方成正比。此外,我们构建了一个计算框架来重建在小波基础上稀疏的分子结构。该方法将分子的稀疏表示与用于X射线晶体学中解相位问题的基于投影的技术相结合。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
73+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
50+阅读 · 2020年12月14日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
175+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
77+阅读 · 2019年10月10日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
28+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
LibRec 精选:推荐的可解释性[综述]
LibRec智能推荐
10+阅读 · 2018年5月4日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】免费书(草稿):数据科学的数学基础
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年10月1日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月15日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月14日
Arxiv
10+阅读 · 2021年11月3日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
28+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
LibRec 精选:推荐的可解释性[综述]
LibRec智能推荐
10+阅读 · 2018年5月4日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】免费书(草稿):数据科学的数学基础
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年10月1日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员