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WebKnossos:3D电子显微数据的注释工具

发布时间:2018-05-15

在飞行模式下重建的大脑皮层细胞图。

研究人员开发出了重建软件,使他们能够以前所未有的速度飞越大脑组织,使连接组学的数据分析速度提高了10倍。 / em

在连接组学领域工作的科学家是一个研究领域,重建大脑中的神经元网络,旨在完全映射在哺乳动物大脑中发现的数百万或数十亿个神经元。尽管电子显微镜取得了令人瞩目的进展,但连接组学的关键瓶颈是数据分析所需的人力劳动量。德国法兰克福马克斯普朗克脑研究所的研究人员现在开发了重建软件,使研究人员能够以前所未有的速度飞越脑组织。与创业公司可扩展的头脑一起,他们创建了webKnossos,它将研究人员变成了大脑试验员,在连接组学中获得了大约10倍的数据分析加速。

数十亿个神经细胞在我们的大脑内并行工作,以达到假设,预测,检测,思考等令人印象深刻的行为。这些神经元形成一个高度复杂的网络,其中每个神经细胞与大约一千个其他神经细胞进行通信。信号沿超薄电缆发送,称为轴突,从每个神经元发送到约1000名追随者。

只有得益于电子显微镜的最新发展,研究人员才能瞄准这些网络的详细映射。然而,这种图像数据的分析仍然是连接组学的关键瓶颈。最有趣的是,即使是目前最好的基于计算机的分析方法,人类注释者仍然表现优异。科学家必须结合人体和机器分析来理解从电子显微镜获得的这些庞大的图像数据集。

通过大脑虚拟飞行

由马克斯普朗克脑研究所所长莫里茨赫尔姆斯泰德特率领的一个研究小组现在发现了一种新颖高效的方法,以这种直觉的方式在浏览器中呈现这些三维图像,以便人类能够以最快的速度飞行大脑中的电缆。实现前所未有的1500微米/小时,人类注释者仍然可以检测轴突的分支点和曲折路径(Boergens,Berning等,Nature Methods,2017)。

“想象通过弯曲的丘陵村庄以100英里/小时的速度竞赛,”Helmstaedter比较。研究人员认为,这种飞行速度是人类在脑组织三维电子显微镜数据中可以达到的最大速度 - 因为可视化集中在脑部飞行员身上,就像在飞机上一样,转向对于以自我为中心的导航高度优化。当与基于计算机的图像分析相结合时,连接组学中数据分析的人体部分现在可能是最大的,比以前快大约10倍。

这一成功的关键先决条件是开发有效的数据传输和航迹预测。 webKnossos软件是与来自德国波茨坦的一家计算机科学初创公司密切合作开发的,称为可扩展思维。在这项为期五年的合作过程中,制作灰阶大脑数据可用于在线数据可视化的不寻常任务既具有挑战性又有收获,该研究的共同作者,该公司联合创始人之一的Norman Rzepka说。

通过最大限度地进行人体数据分析,研究人员现在可以回到优化计算机的分析部分 - 这样宝贵的人类时间就可以最有效地用于我们的科学问题。只有当机器和人类协作最佳时,connectomics才能在当今的神经科学中茁壮成长。

出版物:Kevin M Boergens等人,“webKnossos:用于连接组学的高效在线3D数据注释”,Nature Methods(2017)doi:10.1038 / nmeth.4331

来源:马克斯普朗克研究所