基于矩量法与非均匀视角分布的三维单颗粒从头建模
数值分析
2020-04-22 v2 数值分析
最优化与控制
生物大分子
应用统计
摘要
冷冻电子显微镜(cryo-EM)中的单颗粒重建是一种日益流行的方法，用于从在未知视角角度下拍摄的若干含噪二维投影图像中确定分子的三维结构。大多数重建算法需要三维结构的低分辨率初始化，这正是从头建模(ab initio modeling)的目标。Zvi Kam 于 1980 年提出，矩量法(MoM)提供了一种思路：计算二维图像的低阶统计量，并通过求解多项式方程组来估计三维结构。遗憾的是，Kam 的方法受到限制性假设的困扰，最显著的是视角角度应均匀分布。均匀性往往不切实际，它意味着需要计算高阶关联，因为在这种情况下一阶和二阶矩无法确定三维结构。在本文中，我们去除这一假设，允许 MoM 中存在未知的、非均匀的视角角度分布。或许令人惊讶的是，我们表明这种情况在统计上比均匀情况更容易，因为现在一阶和二阶矩通常足以确定分子的低分辨率展开。在已知非均匀分布的理想化设定下，我们找到了一种高效的、可证明的算法来反演一阶和二阶矩。对于未知的非均匀分布，我们使用非凸优化方法来同时求解分子和分布。
引用
@article{arxiv.1907.05377,
title = {Method of moments for 3-D single particle ab initio modeling with non-uniform distribution of viewing angles},
author = {Nir Sharon and Joe Kileel and Yuehaw Khoo and Boris Landa and Amit Singer},
journal= {arXiv preprint arXiv:1907.05377},
year = {2020}
}
备注
41 pages. v2: additional numerical experiments, appendices edited, other updates