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Bayesian deep learning for error estimation in the analysis of anomalous diffusion

  • Modern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusionmodel and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a wellcalibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into theModern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusionmodel and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a wellcalibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into the learning process of the machine and the relevance of the output.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben:Henrik SecklerORCiD, Ralf MetzlerORCiDGND
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-34305-6
ISSN:2041-1723
Titel des übergeordneten Werks (Englisch):Nature Communnications
Verlag:Nature Publishing Group UK
Verlagsort:London
Publikationstyp:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:07.11.2022
Erscheinungsjahr:2022
Datum der Freischaltung:06.04.2023
Freies Schlagwort / Tag:models; random-walk
Band:13
Aufsatznummer:6717
Seitenanzahl:13
Fördernde Institution:Universität Potsdam
Fördernummer:PA 2022_150
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Fördermittelquelle:Publikationsfonds der Universität Potsdam
Publikationsweg:Open Access / Gold Open-Access
Lizenz (Deutsch):License LogoCC-BY - Namensnennung 4.0 International
Externe Anmerkung:Zweitveröffentlichung in der Schriftenreihe Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe ; 1314
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