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托马斯·斯塔特;蒂莫·阿斯佩尔梅尔;奥斯卡莱滕伯格;克劳迪娅·盖斯勒;亚历山大·埃格纳;阿克塞尔·蒙克

超分辨率荧光显微镜中的统计分子计数：走向定量纳米显微镜。 （英语） Zbl 07292498号

统计科学。 35，编号1，92-111（2020）.
摘要：超分辨率显微镜作为生命科学中的一种分析工具，正迅速变得越来越重要。一个引人注目的特点是能够在活细胞中用荧光标记标记感兴趣的生物单元，并以比传统显微镜更高的分辨率观察它们。然而，以这种方式获得的图像缺乏观察到的荧光团数量的绝对强度标度。在本文中，我们讨论了计算这种荧光团的最新方法以及随之而来的统计挑战显微镜技术可以从原始数据中以具有统计意义的方式量化标记的数量。为此，我们对荧光团中光子产生的整个过程、它们通过显微镜的过程、相机中的检测和光电子放大以及从显微图像中提取时间序列进行了建模。这些建模步骤的核心是通过一种在两个时间尺度上运行的新型隐马尔可夫模型（HTMM）对荧光团动力学进行仔细描述。除了荧光团数之外，在估算过程中还推断了荧光团内部状态的动力学跃迁速率信息。我们评论了将我们的模型应用于模拟或测量的荧光痕迹时出现的计算问题，并说明了我们对模拟数据的方法。

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MSC公司：

62至XX 统计

关键词：

分子计数;超分辨显微镜;定量纳米显微镜;生物物理与计算生物学;非齐次隐马尔可夫模型;统计减薄
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\textit{T.Staudt}等人，《统计科学》。35，编号1，92--111（2020；Zbl 07292498）
全文： DOI程序 arXiv公司 欧几里得

参考文献：

[1] Aspelmeier，T.、Egner，A.和Munk，A.（2015）。高分辨率荧光显微镜的现代统计挑战。每年。修订状态申请。2 163-202.
[2] Bakshi，S.、Siryaporn，A.、Goulian，M.和Weisshaar，J.C.（2012）。活大肠杆菌细胞核糖体和RNA聚合酶的超分辨成像。摩尔微生物。85 21-38.
[3] Balzarotti，F.、Eilers，Y.、Gwosch，K.C.、Gynná，A.H.、Westphal，V.、Stefani，F.D.、Elf，J.和Hell，S.W.（2017）。具有最小光子通量的荧光分子的纳米分辨率成像和跟踪。科学355 606-612。
[4] Berlier，J.E.、Rothe，A.、Buller，G.、Bradford，J.、Gray，D.R.、Filanoski，B.J.、Telford，W.G.、Yue，S.、Liu，J.等人（2003年）。长波长Alexa荧光染料与Cy染料的定量比较：染料及其生物共轭物的荧光。《组织化学杂志》。细胞化学。51 1699-1712.
[5] Berning，S.、Willig，K.I.、Steffens，H.、Dibaj，P.和Hell，S.W.（2012）。活老鼠大脑中的纳米显微镜。科学335 551-551。
[6] Betzig，E.、Patterson，G.H.、Sougrat，R.、Lindwasser，O.W.、Olenych，S.、Bonifacino，J.S.、Davidson，M.W.、Lippincott-Schwartz，J.和Hess，H.F.（2006）。以纳米分辨率成像细胞内荧光蛋白。《科学》313 1642-1645。
[7] Born，M.和Wolf，E.（1999年）。《光学原理》，第7版，剑桥大学出版社，剑桥·Zbl 1430.78001号
[8] Brakemann，T.、Stiel，A.C.、Weber，G.、Andresen，M.、Testa，I.、Grotjohann，T..、Leutenger，M.，Plesmann，U.、Urlaub，H.等人（2011年）。一种荧光激发与开关解耦的可逆光开关类GFP蛋白。自然生物技术。29 942-947.
[9] Chen，C.、Zong，S.、Wang，Z.、Lu，J.、Zhu，D.、Zhang，Y.和Cui，Y.（2016）。使用基于单分子定位的超分辨率显微镜对癌源性外泌体进行成像和细胞内追踪。ACS应用。马特。接口8 25825-25833。
[10] Chojnacki，J.、Staudt，T.、Glass，B.、Bingen，P.、Engelhardt，J.和Anders，M.、Schneider，J.，Müller，B.、Hell，S.W.等人（2012年）。荧光纳米显微镜显示HIV-1表面蛋白的成熟依赖性再分配。《科学》338 524-528。
[11] D’Este，E.、Kamin，D.、Göttfert，F.、El Hady，A.和Hell，S.W.（2015）。STED纳米显微镜揭示了活神经元皮层下细胞骨架周期性的普遍性。细胞代表10 1246-1251。
[12] Egner，A.，Geisler，C.，Von Middendorff，C.，Bock，H.，Wenzel，D.，Medda，R.，Andresen，M.，Stiel，A.C.，Jakobs，S.等人（2007年）。通过光开关发射器的异步定位在整个细胞中进行荧光纳米复制。生物物理学。期刊93 3285-3290。
[13] Eilers，Y.、Ta，H.、Gwosch，K.C.、Balzarotti，F.和Hell，S.W.（2018年）。MINFLUX以卓越的时空分辨率监测快速分子跳跃。程序。国家。阿卡德。科学。美国115 6117-6122。
[14] Feller，W.（2008）。概率论及其应用导论，2。威利，纽约州纽约市·Zbl 0158.34902号
[15] Fölling，J.、Bossi，M.、Bock，H.、Medda，R.、Wurm，C.A.、Hein，B.、Jakobs，S.、Eggeling，C.和Hell，S.W.（2008）。通过地面状态耗尽和单分子返回实现荧光纳米复制。自然方法5 943-945。
[16] Frahm，L.，Keller-Findeisen，J.，Alt，P.，Schnorrenberg，S.，Ruiz，M.D。，Aspelmeier，T.、Munk，A.、Jakobs，S.和Hell，S.W.（2019年）。RESOLFT纳米技术中的分子贡献函数。选择。特快27 21956-219987。
[17] Goodman，J.W.（1996）。《傅里叶光学导论》，第二版，McGraw-Hill，纽约。
[18] Grotjohann，T.、Testa，I.、Leutenger，M.、Bock，H.、Urban，N.T.、Lavoie-Cadinal，F.、Willig，K.I.、Eggeling，C.、Jakobs，S.等人（2011年）。无衍射限制的全光成像和使用光致变色GFP写入。自然478 204-208。
[19] Harremoás，P.、Johnson，O.和Kontoyiannis，I.（2010年）。稀薄、熵和薄数定律。IEEE传输。通知。理论56 4228-4244·兹比尔1366.94186 ·doi:10.1109/TIT.2010.2053893
[20] Hartmann，A.、Huckemann，S.、Dannemann，J.、Laitenberger，O.、Geisler，C.、Egner，A.和Munk，A.（2016）。稀疏序列动态成像中的漂移估计，并应用于纳米级荧光显微镜。J.R.统计社会服务。B.统计方法。78 563-587. ·Zbl 1414.62293号 ·doi:10.1111/rssb.12128
[21] Hell，S.W.（2008）。显微镜及其焦点开关。自然方法6 24-32。
[22] Hell，S.W.，Sahl，S.J.，Bates，M.，Zhuang，X.，Heintzmann，R.，Booth，M.J.、Bewersdorf，J.、Shtengel，G.、Hess，H.等人（2015）。2015年超分辨率显微镜路线图。《物理学杂志》。D、 申请。物理学。48 443001.
[23] Hell，S.W.和Wichmann，J.（1994）。通过受激发射打破衍射分辨率极限：受激发射完成荧光显微镜。选择。莱特。19 780-782.
[24] Hess，S.T.、Girirajan，T.P.K.和Mason，M.D.（2006年）。荧光光激活定位显微镜的超高分辨率成像。生物物理学。期刊91 4258-4272。
[25] Hirsch，M.、Wareham，R.J.、Martin-Fernandez，M.L.、Hobson，M.P.和Rolfe，D.J.（2013）。电子倍增电荷耦合器件的随机模型——从理论到实践。公共科学图书馆ONE 8 e53671。
[26] Hofmann，M.、Eggeling，C.、Jakobs，S.和Hell，S.W.（2005）。通过使用可逆的光开关蛋白质，在低光强度下打破荧光显微镜中的衍射屏障。程序。国家。阿卡德。科学。美国102 17565-17569。
[27] Hummer，G.、Fricke，F.和Heilemann，M.（2016）。单分子定位显微镜中分子的模型依赖性计数。分子生物学。手机27 3637-3644。
[28] Koenig，M.、Berlage，C.、Reisch，P.、Oelsner，C.、Koberling，F.、Ta，H.和Erdmann，R.（2019年）。共聚焦荧光成像中光子统计的分子计数。生物物理学。期刊116 134a-135a。
[29] Komis，G.、Mistrik，M.、Šamajová，O.、Ovečka，M.，Bartek，J.和Šamaj，J.（2015）。使用结构照明显微镜对植物细胞进行超分辨率实时成像。《国家协议》。10 1248-1263.
[30] Laitenberger，O.、Aspelmeier，T.、Geisler，C.、Munk，A.和Egner，A.（2019年）。超分辨荧光显微镜中的无偏分子计数。预打印。
[31] Laplante，C.、Huang，F.、Tebbs，I.R.、Bewersdorf，J.和Pollard，T.D.（2016）。活裂变酵母超分辨率荧光显微镜下胞质分裂节和收缩环的分子组织。程序。国家。阿卡德。科学。美国113 E5876-E5885。
[32] Lee，S.-H.、Shin，J.Y.、Lee，A.和Bustamante，C.（2012年）。用光激活定位显微镜（PALM）计数单个光激活荧光分子。程序。国家。阿卡德。科学。美国109 17436-17441。
[33] Lin，Y.、Long，J.J.、Huang，F.、Duim，W.C.、Kirschbaum，S.、Zhang，Y.，Schroeder，L.K.、Rebane，A.A.、Velasco，M.G.M.等人（2015）。高速量化和优化单分子开关纳米拷贝。公共图书馆·综合频道10 e0128135。
[34] Maglione，M.和Sigrist，S.J.（2013）。一棵树一棵树地看森林：超分辨率光学显微镜与神经科学相遇。自然神经科学。16 790-797.
[35] Messina，T.C.、Kim，H.、Giurleo，J.T.和Talaga，D.S.（2006年）。多色性光漂白的隐马尔可夫模型分析。《物理学杂志》。化学。乙110 16366-16376。
[36] Muranyi，W.、Malkusch，S.、Müller，B.、Heilemann，M.和Kräusslich，H.-G.（2013）。超分辨率显微镜显示HIV-1包膜蛋白对依赖包膜C末端尾部的病毒组装位点的特异性募集。《公共科学图书馆·病理学》。9 e1003198。
[37] Nelder，J.A.和Mead，R.（1965年）。函数最小化的单纯形方法。计算。期刊7 308-313·Zbl 0229.65053号 ·doi:10.1093/comjnl/7.4.308
[38] Pageon，S.V.、Cordoba，S.-P.、Owen，D.M.、Rothery，S.M.、Oszmiana，A.和Davis，D.M.（2013）。超分辨显微镜显示NKG2D激活后抑制性自然杀伤细胞受体的纳米级重组。科学。信号。6拉62。
[39] Patel，L.、Gustafsson，N.、Lin，Y.、Ober，R.、Henriques，R.和Cohen，E.（2019年）。一种表征荧光团光开关行为的隐马尔可夫模型方法。附录申请。《法律总汇》第13卷第1397-1429页·Zbl 1433.62330号 ·doi:10.1214/19-AOAS1240
[40] Prescher，J.、Baumgärtel，V.、Ivanchenko，S.、Torrano，A.A.、Bräuchle，C.、Müller，B.和Lamb，D.C.（2015）。HIV-1装配点ESCRT蛋白的超分辨率成像。《公共科学图书馆·病理学》。11 e1004677。
[41] Robbins，M.S.和Hadwen，B.J.（2003）。电子倍增电荷耦合器件的噪声性能。IEEE传输。电子器件50 1227-1232。
[42] Rollins，G.C.、Shin，J.Y.、Bustamante，C.和Pressé，S.（2015）。超分辨显微镜中分子计数问题的随机方法。程序。国家。阿卡德。科学。美国112 E110-E118。
[43] Rust，M.J.、Bates，M.和Zhuang，X.（2006）。随机光学重建显微镜（STORM）的亚衍射极限成像。自然方法3 793-796。
[44] Sahl，S.J.、Hell，S.W.和Jakobs，S.（2017）。细胞生物学中的荧光纳米显微镜。Nat.Rev.，分子细胞生物学。18 685-701.
[45] Schneider，L.F.、Schmidt Hieber，J.、Staudt，T.、Krajina，A.、Aspelmeier，T.和Munk，A.（2018）。二项（n，p）问题中两个参数都未知的（n）的后验一致性——在定量纳米复制中的应用。ArXiv预印本。可从ArXiv:1809.02443获得。
[46] Schnorrenberg，S.、Grotjohann，T.、Vorbrüggen，G.、Herzig，A.、Hell，S.W.和Jakobs，S.（2016）。黑腹果蝇体内超分辨率RESOLFT显微镜。电子生活5。
[47] Sharma，S.、Santiskulvong，C.、Bentolila，L.A.、Rao，J.、Dorigo，O.和Gimzewski，J.K.（2012）。与超分辨率F-actin成像相关的纳米机械成像揭示了对卵巢癌细胞顺铂耐药机制的新见解。纳米医学8 757-766。
[48] Staudt，T.、Aspelmeier，T.，Laitenberger，O.、Geisler，C.、Egner，A.和Munk，A.（2020年）。补充“超分辨荧光显微镜中的统计分子计数：走向定量纳米技术”https://doi.org/10.1214/19-STS753SUPP。
[49] Sydor，A.M.、Czymmek，K.J.、Puchner，E.M.和Mennella，V.（2015）。超分辨显微镜：从单分子到超分子组装。趋势细胞生物学。25 730-748.
[50] Ta，H.、Keller，J.、Haltmeier，M.、Saka，S.K.、Schmied，J.，Opazo，F.、Tinnefeld，P.、Munk，A.和Hell，S.W.（2015）。在扫描远场荧光纳米显微镜中绘制分子图。国家公社。6 7977.
[51] Tsekouras，K.、Custer，T.C.、Jashnsaz，H.、Walter，N.G.和Pressé，S.（2016）。一种通过光漂白精确定位和计数大量台阶的新方法。分子生物学。手机27 3601-3615。
[52] van de Linde，S.、Löschberger，A.、Klein，T.、Heidbreder，M.、Wolter，S.，Heilemann，M.和Sauer，M.（2011）。使用标准荧光探针的直接随机光学重建显微镜。《国家协议》。6 991-1009.
[53] Vogelsang，J.、Steinhauer，C.、Forthmann，C.、Stein，I.H.、Person-Skegro，B.、Cordes，T.和Tinnefeld，P.（2010年）。让他们眨眼：超分辨率显微镜的探针。化学物理化学11 2475-2490。
[54] 威廉姆森，D。
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