Improving Cryo-EM Optimization Robustness with an Optimal Transport Loss Function for Noisy Images
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Many tasks in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM), such as 2D/3D classification and homo/heterogeneous reconstruction, require optimizing model parameters to minimize the discrepancy between observed data and a forward model. The standard Mean Squared Error (MSE) loss function is computationally efficient but suffers from a non-convex rugged loss landscape, particularly for high-resolution heterogeneity inference. In this work, we investigate the practical utility of Sliced Wasserstein (SW) distances. We implement exact W 2 estimators (inverse-CDF and greedy matching) of projections alongside a computationally efficient proxy based on the L2 norm of CDFs, a formulation akin to the sliced Cramér–von Mises distance. We establish the latter as a robust, fully differentiable workhorse for the cryo-EM forward model. We evaluate its performance against the MSE in joint inference tasks recovering pose, CTF parameters, and conformational heterogeneity. Our results demonstrate that SW significantly broadens the basin of attraction, enabling robust gradient-based optimization from distant initializations where MSE fails. Using a helical spiral toy model, we highlight how SW losses are sensitive to per-particle contrast, where background noise level miscalibration can induce geometric bias in the inferred structure. We show that this bias is manageable through a joint optimization strategy that treats background contrast as a learnable parameter. Finally, we validate the approach on a synthetic dataset using the Zernike3D framework, showing that the SW loss works and yields an accurate landscape representations, comparable with MSE. These findings establish SW as a powerful tool for navigating the rugged landscapes of cryo-EM forward model parameters. Synopsis The Sliced Wasserstein loss provides a smoother optimization landscapes than mean squared error for single particle cryo-EM joint inference of pose, CTF defocus and conformational heterogeneity. Estimating background contrast is essential to avoid biasing other parameters.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,004 | 0,012 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».