Deep-prior ODEs augment fluorescence imaging with chemical sensors

加强 荧光 荧光寿命成像显微镜 纳米技术 计算机科学 材料科学 物理 光学 哲学 语言学
作者
Thanh-an Pham,Aleix Boquet-Pujadas,Sandip Mondal,Michaël Unser,George Barbastathis
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53232-2
摘要

To study biological signalling, great effort goes into designing sensors whose fluorescence follows the concentration of chemical messengers as closely as possible. However, the binding kinetics of the sensors are often overlooked when interpreting cell signals from the resulting fluorescence measurements. We propose a method to reconstruct the spatiotemporal concentration of the underlying chemical messengers in consideration of the binding process. Our method fits fluorescence data under the constraint of the corresponding chemical reactions and with the help of a deep-neural-network prior. We test it on several GCaMP calcium sensors. The recovered concentrations concur in a common temporal waveform regardless of the sensor kinetics, whereas assuming equilibrium introduces artifacts. We also show that our method can reveal distinct spatiotemporal events in the calcium distribution of single neurons. Our work augments current chemical sensors and highlights the importance of incorporating physical constraints in computational imaging. A key aspect of biosensor design is ensuring that fluorescent signals follow the concentration of the analytes as closely as possible, but binding kinetics are often overlooked. Here authors propose a method for reconstructing the spatiotemporal concentration of the underlying chemical messengers by considering the binding process.
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