[論文レビュー] Comparing Single Molecule Tracking and correlative approaches: an application to the datasets recently presented in Nature Methods by Chenuard et al

Carmine Di Rienzo, Paolo Annibale|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2016

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ChenuardらのNature Methods誌論文から得たデータセットを用いて、単一分子追跡（SMT）と相関画像解析法を比較し、高密度、低SNR、頻繁な点滅が生じるような困難な条件下で、SMTが高速または長距離移動を捉えるのに対し、相関画像解析法が優れていることを示している。本研究は、軌道連結に失敗した場合に、相関解析がSMTを補完し、運動モードの特定をより強固に行えることを示している。

ABSTRACT

Recent efforts to survey the numerous softwares available to perform single molecule tracking (SMT) highlighted a significant dependence of the outcomes on the specific method used, and the limitation encountered by most techniques to capture fast movements in a crowded environment. Other approaches to identify the mode and rapidity of motion of fluorescently labeled biomolecules, that do not relay on the localization and linking of the images of isolated single molecules are, however, available.This direct comparison shows that correlative imaging analysis approaches complement effectively current SMT methods in circumstances when, due to either the density of the sample, the low signal to noise ratio or molecular blinking, trajectory linking does not allow to capture long-range or fast motion.

研究の動機と目的

• 高分子密度、低SNR、頻繁な点滅が生じる複雑な生物学的環境における単一分子追跡（SMT）の限界を評価すること。
• SMTの限界を克服し、高速または長距離移動の動的挙動を捉えるために、相関画像解析法が有効であるかを調査すること。
• Chenuardらの最近のNature Methods誌の出版物から得た実際のデータセットを用いて、SMTと相関手法を直接比較すること。
• SMTの軌道連結に失敗した場合に、相関解析がSMTに代わるより信頼性の高い代替手段として機能することを示すこと。

提案手法

• 本研究は、ChenuardらのNature Methods誌論文から得たデータセットを用い、挑戦的なin vivo環境下での蛍光標識されたバイオマoleculeを対象としている。
• 同じデータセットに対して、標準的なSMTパイプライン（粒子局在、軌道連結、運動分類）を適用している。
• 相関画像解析は、個々の粒子追跡に依存せず、フレーム間の時間的・空間的相関を分析することで実施されている。
• 本手法は画像相関技術を活用し、連続的な軌道再構築を必要とせずに、運動パターンや運動モードを検出する。
• 運動モード検出の正確性や高速・長距離移動の解像度といった指標を用いて、両手法の性能を定量的に比較している。
• SMTが失敗する条件（高密度や点滅など）に焦点を当て、相関手法が優れた解像度を示す分野を特定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMTが軌道連結エラーにより、高速または長距離移動を捉えられなくなる条件は何か？
• RQ2 高分子密度や低SNR条件下において、相関画像解析法はSMTに比べて運動モードをどの程度効果的に検出できるか？
• RQ3 点滅や凝集が原因でSMTが連続的な軌道を再構築できない状況下でも、相関手法は信頼性を持って分子動態を同定できるか？
• RQ4 SMTが失敗する状況下で、相関画像解析法がSMTをどの程度補完し、複雑な環境下での生物学的に重要な動的挙動を捉えるのに有効か？
• RQ5 SMTに比べ、相関手法が運動検出の忠実性と耐障害性において、どの程度定量的に優れているか？

主な発見

• 相関画像解析法は、SMTが高分子密度や頻繁な点滅のため失敗する状況下でも、運動モードや迅速な動的挙動を効果的に同定できた。
• SMTの軌道連結が低SNRのため破綻しても、本手法は長距離・高速移動を検出できた。
• 困難な画像取得条件下では、相関手法がSMTを上回り、指向的輸送や急速拡散といった生物学的に重要な運動パターンを解像できた。
• 本研究は、個々の粒子軌道を信頼性を持って再構築できない場合に、相関手法がSMTの代替として強固であることを示している。
• 比較結果から、相関画像解析法は、従来のSMTパイプラインが見逃す可能性のある一時的・急速なイベントを捉えるのに特に効果的であることが明らかになった。