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Sandbox Physics

E43 · 单粒子重建

单粒子冷冻电镜：从电影到三维图

采集独立粒子电影，校正标定帧运动，匹配宽化参考，再从存储投影重建三维图。

交互模型单粒子冷冻电镜：从电影到三维图
所选窗口状态—\text{—}
存储粒子电影—\text{—}
记录电子事件—\text{—}
存储电影剂量—\text{—}
所选粒子，从一计数—\text{—}
接收粒子窗口—\text{—}
推断观察方向数—\text{—}
观察法线特征值比—\text{—}
所选参考相关—\text{—}
最终与初始目标函数比—\text{—}
半图一致性，第四壳—\text{—}
实验目标—\text{—}

物理教程

单粒子冷冻电镜：从电影到三维图

背景采集独立粒子电影，校正标定帧运动，匹配宽化参考，再从存储投影重建三维图。

为什么值得理解更多粒子，能补回缺失的观察方向吗？

先抓重点

核心问题
更多粒子，能补回缺失的观察方向吗？
一句话直觉
独立粒子减少噪声，不同方向约束第三维。

核心数学模型

弱相位计数形成

E[Cjf]=b [1+a(H∗PRjρ)f]H(q)=−1−A2sin⁡χ−Acos⁡χ\begin{aligned}\mathbb E[C_{jf}]&=b\,[1+a(H*P_{R_j}\rho)_f]\\H(q)&=-\sqrt{1-A^2}\sin\chi-A\cos\chi\end{aligned}

记录帧是经过 CTF 滤波投影的位移副本；背景、对比和传递函数已标定。

电子光学相位

χ(q)=πλΔf q2−π2Csλ3q4\chi(q)=\pi\lambda\Delta f\,q^2-\frac{\pi}{2}C_s\lambda^3q^4

欠焦为正，频率以每纳米周期表示。损伤包络为指定的示意衰减。

由计数重建

ρ^=arg⁡min⁡ρ≥0∑j∥HPR^jρ−yj∥2+α∥ρ∥2\begin{aligned}\widehat\rho&=\arg\min_{\rho\geq0}\sum_j\|HP_{\widehat R_j}\rho-y_j\|^2\\&\quad+\alpha\|\rho\|^2\end{aligned}

非负投影梯度使用同一离散投影及其精确转置。参考用于取向，不作为三维密度。

条件半图一致性

Fs=Re⁡∑k∈sV1(k)V2(k)‾∑k∈s∣V1(k)∣2∑k∈s∣V2(k)∣2F_s=\frac{\operatorname{Re}\sum_{k\in s}V_1(k)\overline{V_2(k)}}{\sqrt{\sum_{k\in s}|V_1(k)|^2\sum_{k\in s}|V_2(k)|^2}}

独立粒子在匹配前分入半组。两半组共用宽化参考与标定；一致性不证明方向覆盖或绝对分辨率。

常见难点

科学边界

容易误解重建图就是原子级蛋白结构。

正确理解合成弱相位教学模型：四叶团块、十六体素网格、十二观察方向及两个平面内角。拾取窗口、整数漂移、离焦及计数标定已给定；取向匹配使用参考，不是从零重建或 CTF 估计。玻璃化、冰衰减和剂量损伤采用示意模型。半图共用参考和标定，其一致性不是金标准分辨率认证。省略原子解释、多重散射、探测器调制传递、连续取向搜索及构象分类。

参考与一致性

容易误解壳相关高保证所有方向的图都正确。

正确理解两半组共用指定低分辨率参考和标定传递函数，不声明联合精修或金标准独立性。显示拒绝粒子及推断方向，不给出由 FSC 推导的分辨率。

动手实验

  1. 01

    采集电影

    从重置开始采集电影，再浏览存储粒子。

    应该观察到： 更改采集参数不会改写四帧噪声计数。
  2. 02

    校正并分组

    处理存储电影，比较未校正求和、运动校正像及给定参考。

    应该观察到： 匹配推断二十四个离散取向之一，拒绝窗口仍可查看。
  3. 03

    求解三维图

    查看三个正交重建切片及下降的数据目标函数。

    应该观察到： 每个体素由记录对比及投影算子求得。
  4. 04

    检验一致性

    比较多方向与双倍单方向粒子，再尝试厚冰和制样失败。

    应该观察到： 全部粒子仅沿一方向观察时，两半图仍可高度一致。