利用深度學(xué)習(xí)對人體活細(xì)胞進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測

你有沒有想象過有一天可以看到一個(gè)自己的細(xì)胞在分裂，在成長，在釋放出生命的力量呢？近日，Allen細(xì)胞科學(xué)研究所的科學(xué)家們利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)成功開發(fā)了世界上第一個(gè)可以對人體活細(xì)胞進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測的模型，基于這個(gè)模型科學(xué)家可以再屏幕上看到細(xì)胞生生不息的模樣，甚至可以直接通過屏幕來操作細(xì)胞。

這個(gè)被稱為Allen Integrate Cell 的模型，是通過深度學(xué)習(xí)處理了成千上萬的高分辨率細(xì)胞圖像而得到的，它可以識別出亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)并投影成三維的，多層次的細(xì)胞表示，并同時(shí)顯示出細(xì)胞中各個(gè)部分的相互作用。而其中的一些現(xiàn)象在以前從未被觀測到。

Allen Integrate Cell提供了一種對于活細(xì)胞真實(shí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動的3D可視化工具，不僅可以顯示出細(xì)胞內(nèi)部多種多樣的分子機(jī)制和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，同時(shí)為細(xì)胞的活動提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的建模框架，為疾病、藥物響應(yīng)和細(xì)胞環(huán)境的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

有兩個(gè)主要的技術(shù)在這套系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的作用，一個(gè)是顯示特定細(xì)胞內(nèi)各部分組織關(guān)系的確定性模型，另一個(gè)則是描述細(xì)胞器形狀和位置的概率模型，甚至對于未知的細(xì)胞也可以進(jìn)行類似的建模。

其中概率模型為建模提供了細(xì)胞器在細(xì)胞中最有可能的形狀和位置，基于多個(gè)細(xì)胞的觀察而得到最好的結(jié)果。雖然對于特定的單個(gè)細(xì)胞可能匹配上有一些誤差，但卻適用這一整類的細(xì)胞在統(tǒng)計(jì)上的行為和描述。

研究人員激動的表示，這是科學(xué)離魔法最近的一次，細(xì)胞內(nèi)部的活動就像3D電影一樣美妙。

在此之前，人們需要借助復(fù)雜的熒光顯微技術(shù)才能看到活細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)，而這種方法十分昂貴，除了速度慢熒光物質(zhì)還會對細(xì)胞造成損害。

如今，無需幾萬美元的設(shè)備研究人員們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重新構(gòu)建出了細(xì)胞的3D投射光線與熒光細(xì)胞圖像之前的關(guān)系，從而重建出了主要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。他們教會模型從投射圖像中重建出細(xì)胞中不同細(xì)胞器或蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)實(shí)在在的活細(xì)胞中，可以看到細(xì)胞的活動代謝和演變，甚至可以看到有絲分裂的過程，你可以觀察到前所未見的細(xì)胞核重構(gòu)和細(xì)胞膜的發(fā)育。這些都是我們曾經(jīng)無法看到的，更不用說在3D層面上了。

這樣的能力將為生物學(xué)研究帶來翻天覆地的變革，無論是癌癥研究還是藥物開發(fā)都將受益于新的觀測方式，我們看到的細(xì)胞將不是扁平的二維截面，也不再是課本上一成變的圖樣，而是一個(gè)生命充滿活力的生生不息！