伊利諾伊大學(xué)的植物生物學(xué)研究人員和加州大學(xué)歐文分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家通過超分辨率顯微鏡和機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合，開發(fā)了一種新的化石花粉鑒定方法。由Surangi Punyasena博士和Ingrid Romero女士(分別是植物生物學(xué)的副教授和研究生)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)并訓(xùn)練了三個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以識(shí)別來自未知豆科植物的化石花粉標(biāo)本。

普尼亞塞納說：“全球化石花粉記錄是我們擁有的最豐富的陸地記錄之一。” “這是保留過去4.7億年環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)變化歷史的記錄。” 花粉記錄對(duì)于了解植物物種如何在全球范圍內(nèi)進(jìn)化和分布至關(guān)重要。通過重建不同的生態(tài)系統(tǒng)和物種隨時(shí)間變化的方式，我們可以更好地了解當(dāng)前的植物關(guān)系，并更好地為保護(hù)和緩解氣候變化的努力提供依據(jù)。

但是，正確地測量和識(shí)別花粉粒的形態(tài)特征可能非常困難。Punyasena解釋說：“許多古生物學(xué)記錄沒有與之相關(guān)的生物學(xué)鑒定。” “從更深的時(shí)間(過去十萬年左右)中我們知道的許多類型都是我們對(duì)它們的身份沒有確切認(rèn)識(shí)的群體。對(duì)這些類型進(jìn)行分類所需的工作實(shí)在太大了。 ”

諸如掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的傳統(tǒng)方法會(huì)破壞樣品，并且非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。相比之下，Airyscan是一種光學(xué)顯微鏡方法，可以看到低于光的衍射極限，并且可以用于從花粉粒的內(nèi)部和外部無損收集橫截面圖像。羅梅羅說：“這種方法對(duì)數(shù)量不多的樣品非常有用。” “您可以將谷物安裝在幻燈片上并對(duì)其進(jìn)行有效成像，而不會(huì)損壞樣品。”

通過這種新方法，研究人員可以使用來自活植物的花粉來訓(xùn)練機(jī)器分類模型，然后確認(rèn)其化石親緣關(guān)系，并從每次鑒定中反復(fù)學(xué)習(xí)，以區(qū)分彼此非常相似的標(biāo)本。這使該團(tuán)隊(duì)首次認(rèn)識(shí)到較大的豆類化石花粉形態(tài)學(xué)類別中的屬。訓(xùn)練有素的模型對(duì)西非和南美洲北部的化石標(biāo)本進(jìn)行了分類，這些標(biāo)本可以追溯到古新世(66-56百萬年前)，始新世(56-34百萬年前)和中新世(23-530萬年前)。最準(zhǔn)確的模型使用了來自花粉粒外部和內(nèi)部的圖像組合，能夠正確識(shí)別90.3%的樣品。

這些結(jié)果表明，Airyscan顯微鏡和機(jī)器學(xué)習(xí)方法不僅有助于識(shí)別未知標(biāo)本，而且還有助于限制植物群起源或滅絕的時(shí)間。通過深入了解花粉樣品之間的關(guān)系和分布信息，研究人員可以更好地確定何時(shí)發(fā)生進(jìn)化變化。

“我們?cè)谟跋裉幚砟芰陀?jì)算機(jī)視覺算法的功能方面取得了巨大的進(jìn)步。我們已經(jīng)達(dá)到了這些算法可以以非常有效和智能的方式解釋復(fù)雜圖像的程度，從而為我們提供了可用的標(biāo)識(shí)。這些模型的創(chuàng)新之處在于，可以在原始的現(xiàn)代分類單元上訓(xùn)練系統(tǒng)，然后使用該系統(tǒng)來識(shí)別未知的且經(jīng)常在物理上扭曲的化石類型，” Punyasena說。“這種方法復(fù)制并擴(kuò)展了人類分析師的能力。”