Joint estimation of motion model, model parameters, and particle trajectories in single particle tracking

单粒子跟踪中运动模型、模型参数和粒子轨迹的联合估计

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY: Single particle tracking (SPT) is a powerful class of techniques for understanding biomolecular motion at the subcellular level in the crowded environments of the plasma membrane, cytoplasm, and nucleus. The basic scheme is to acquire image sequences, typically through wide-field fluorescence imaging, produce trajectories from these images, and finally to estimate motion parameters from the trajectories through the use of tools such as curve-fitting to the mean-square displacement (MSD) curve. The method has been extremely effective for the study of single particles moving in the plane under a fixed model. SPT will have a transformative impact once it is capable of studying biological macromolecules moving in three dimensions and undergoing complex modes of motion that switch between different models during a single run as particles undergo, for example, internalization, recycling, and trafficking between cells. In the 3-D setting, the assumptions that make the standard methods both simple and robust no longer hold and issues such as motion blur, ad hoc choices of fitting parameters that have a large impact on the accuracy of results, an assumption of stationarity in the data which precludes analysis of mode switching in a single trajectory, separation of the analysis of particle trajectory from motion parameter estimation, and lack of modeling of effects of non-Gaussian noise must be addressed and overcome to make SPT as effective in 3-D as it has been in studying planar motion. The proposed project consists of three specific aims. The first is focused on creating techniques for jointly estimating particle trajectory and motion parameters from SPT data sets using a framework that allows for complex motion and observation models, including camera-specific descriptions, depth-dependent point spread functions, and dynamics that switch between different models. The resulting method will greatly improve the accuracy and applicability of SPT in the 3-D setting. The second aim targets data acquisition, using a confocal- based tracking scheme inspired by nonlinear, stochastic extremum-seeking control. The confocal modality provides a better SNR, innate 3-D capability and, most significantly, an extremely fast sampling rate to miti- gate effects of motion blur. The proposed method, implementable on standard confocal instruments, is tunable for optimal performance at different experimental settings and complements wide-field techniques when high temporal resolution of a single particle is needed. Finally, the third aim seeks to validate the proposed tech- niques in two experimental systems. The first is a simple setting of tracking quantum dots inside hydrogels. These polymer-based systems are extensively used in a number of biomedical applications, including tissue engineering, drug delivery, and immunoisolation. The second setting is that of tracking individual, labeled AMPA receptors in rat hippocampal neurons, providing a biological setting for validation and demonstration.
项目摘要: 单个粒子跟踪(SPT)是一种强大的技术,用于理解生物分子运动 质膜,细胞质和核的拥挤环境中的亚细胞水​​平。基本 方案是通过广泛的荧光成像获取图像序列,产生轨迹 从这些图像中,最终通过使用工具来估算轨迹的运动参数 例如曲线拟合到均方位移(MSD)曲线。该方法非常有效 用于研究在固定模型下在平面中移动的单个颗粒。 SPT将具有变革性 一旦能够研究生物学大分子在三维中移动并进行的影响 复杂的运动模式,随着粒子的经历,单个运行期间不同模型之间切换 例如,细胞之间的内在化,回收和流动。在3-D设置中,假设的假设 标准方法简单又强大不再存在,以及运动模糊,临时选择等问题 拟合参数对结果的准确性有很大影响,这是一个固定性的假设 排除单个轨迹中模式切换分析的数据,粒子分析的分离 运动参数估计的轨迹以及缺乏非高斯噪声效应的建模必须是 解决并克服以使SPT在3D中与研究平面运动一样有效。 拟议的项目由三个特定目标组成。首先专注于创建共同的技术 使用一个允许的框架从SPT数据集​​中估算粒子轨迹和运动参数 复杂的运动和观察模型,包括摄像头描述,深度依赖点扩散 功能和在不同模型之间切换的动力学。最终的方法将大大改善 SPT在3-D设置中的精度和适用性。第二个目标是使用共焦 - 基于非线性,随机的超级寻求控制的基础跟踪方案。共聚焦方式 提供更好的SNR,先天的3D功能,最重要的是,对Miti-的采样率极为快。 运动模糊的栅极效应。可以在标准共聚焦仪器上实施的提出的方法是可调的 在不同的实验设置和完成范围内的最佳性能时 需要单个粒子的临时分辨率。最后,第三个目标旨在验证拟议的技术 - 两个实验系统中的有线。首先是跟踪水凝胶中量子点的简单设置。 这些基于聚合物的系统广泛用于许多生物医学应用,包括组织 工程,药物输送和免疫分散。第二个设置是跟踪个人,标记的设置 大鼠海马神经元中的AMPA受体,为验证和演示提供了生物学设置。

项目成果

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