光谱也有“立体主义”：“毕加索”技术为生物分子上色 20世纪初

20世纪初，法国巴黎兴起了一支独特的艺术流派，称为“立体主义” ，它的主将之一，就是我们耳熟能详的巴勃罗·毕加索（PabloPicasso）。艺术家们对物体的各个面都加以观察，而后仅用平面的绘画，就能把所有这些面同时表现出来。然而由于不同的物体与面都在同一平面交织，这些绘画给人直观的感觉是“抽象”和“难以识别” 。

文章图片
毕加索分析立体主义时期（1907-1911）作品《卡思维勒像》
如今，在遥感卫星、生物医学等等领域的研究中，我们常常需要使用光谱成像。
遥感卫星拍摄的多波段图像中包含着不同光谱通道上的信号，不同类型的植被和地质构造都对应着特征的光谱分布；生物分子成像时，荧光团的发射光谱也是如此。我们最终获得的光谱图像，是观测区域内所有荧光团（染色分子）贡献的混合，如果使用超过四个荧光团，它们产生的颜色就会相互重叠并难以区分；就像在分析立体主义时期，物体的不同角度被毕加索压缩进同一画面一样。
而进入综合立体主义时期后，毕加索开始用解体的抽象化图形反过来构建真实物体的形态。对应到我们如今的光谱学中，就好像是光谱的解混（unmixing ，即混合光谱的分解）——将同一像元内不同通道/荧光团的贡献解析出来。

文章图片
毕加索综合立体主义时期（1912-1914）作品《卡思维勒像》
【光谱也有“立体主义”：“毕加索”技术为生物分子上色】以往，光谱的解混通常依赖于线性分解，将荧光信号描述为来自观测区域内所有荧光团贡献的线性混合。这需要所有相关荧光团的参考光谱，也即单个荧光团的光谱。每个子区域荧光团的发射光谱都需要分别测量，因此在像大脑这样高度异质的标本中进行参考光谱测量，往往是个复杂、低效、耗时的过程。
近期，韩国科学技术院（KAIST）的一支研究团队在NatureCommunication杂志上发表了一种以毕加索的名字PICASSO命名的新成像方法。共同通讯作者、KAIST电子工程学院教授Young-GyuYoon说：“为了解决参考光谱难以获取的问题，我们开发了一种不需要测量参考光谱的方法。 ”他们采用人工智能，突破了4种颜色成像的限制，以及过往线性解混技术对参考光谱的依赖，能够使用超过15种颜色来成像和解析空间重叠的蛋白质或其它生物分子，甚至可以阐明最复杂的主题：大脑。

文章图片
网页截图
PICASSO方法的全称是“通过对光谱重叠的荧光团信号进行解混，实现生物分子的超复用成像过程”（Processofultra-multiplexedImagingofbiomoleculesviAtheunmixingoftheSignalsofSpectrallyOverlappingfluorophores）。 “超复用成像”指的是，将一个单元的众多单独成分可视化。就像电影院中每个影厅播放不同的电影一样，细胞中的每个蛋白质都有不同的作用，荧光团染色就是研究这些不同作用的重要手段。
“我们设计了一种基于信息论的策略，通过迭代的方法，将混合图像中多通道间的重复信息最小化来进行解混。 ”共同通讯作者、KAIST材料科学与工程系教授Jae-ByumChang说， “这使我们能够摆脱‘不同蛋白质的空间分布互斥’这一假设，并实现准确的信息解混。 ”
为了证明PICASSO的能力，研究人员对小鼠大脑实施了单轮染色，并使用该技术进行了15种颜色的复用成像。小鼠的大脑尽管很小，但仍然非常复杂，如果仅使用其他如循环免疫荧光这样的成像技术，可能需要大量的重复染色，投入大量时间、人力和资源。然而将循环免疫荧光技术与PICASSO相结合，研究团队仅在三个染色-成像周期内就实现了小鼠大脑的45种颜色复用成像。