基于序列切片圖像的突觸三維重建技術(shù)研究.pdf

1、腦科學(xué)是研究人、動(dòng)物以及機(jī)器的認(rèn)知與智能的本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科，理解腦功能的結(jié)構(gòu)及物質(zhì)基礎(chǔ)是腦科學(xué)研究的核心問(wèn)題。腦圖譜的研究，是探索腦的工作原理、揭示腦重大疾病發(fā)生機(jī)制，發(fā)展腦式計(jì)算的必由之路，是腦科學(xué)研究的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，腦科學(xué)極有可能在該研究方向上取得重大突破。腦微觀結(jié)構(gòu)重建是繪制腦圖譜的基礎(chǔ)。
　　神經(jīng)系統(tǒng)作為大量的神經(jīng)元相互聯(lián)系形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其功能的探究和理解需要高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)圖譜信息，而不同尺度的腦圖譜所蘊(yùn)含的信息內(nèi)容也不

2、盡相同。通常從以下三個(gè)層面獲取腦圖譜信息:毫米尺度的宏觀層面、微米尺度的介觀層面以及納米尺度的微觀層面。目前在突觸水平的相關(guān)自動(dòng)分析方法和重建能力相對(duì)滯后，海量數(shù)據(jù)的重建工作主要依賴于人工標(biāo)注，這樣不僅效率低，同時(shí)還會(huì)因?yàn)槊總€(gè)人的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的差異等主觀因素而出現(xiàn)不同程度的問(wèn)題。巨大工程量的自動(dòng)化重構(gòu)工作，已經(jīng)成為大規(guī)模腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)重建的瓶頸，所以在這一領(lǐng)域加快研究速度已成為當(dāng)務(wù)之急。
　　本文以中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所搭建的突觸尺度神經(jīng)

3、微觀重建平臺(tái)為依托，提出一套自動(dòng)化程度較高的突觸三維重建方法。該系統(tǒng)方法總體包括三個(gè)部分:
　　首先，以機(jī)器學(xué)習(xí)為主要內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)突觸的檢測(cè)。檢測(cè)的過(guò)程中以AdaBoost算法為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)突觸的初步檢測(cè)。使用AdaBoost算法檢測(cè)的過(guò)程中，主要在保證召回率的基礎(chǔ)上盡可能的提高檢測(cè)率;之后再分別結(jié)合上下文信息和隨機(jī)森林，進(jìn)一步提高突觸的檢測(cè)率。
　　其次，采用通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算與區(qū)域生長(zhǎng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)突觸形態(tài)結(jié)構(gòu)的分割。該過(guò)程先通

4、過(guò)閾值分割、形態(tài)學(xué)腐蝕操作和形態(tài)學(xué)開運(yùn)算等得到突觸結(jié)構(gòu)的初步分割結(jié)果;之后又通過(guò)擬合、最短路徑的方法得到合適的種子區(qū)域，按照一定的規(guī)則，將種子區(qū)域周圍像素值在指定閾值內(nèi)的像素點(diǎn)添加進(jìn)來(lái)，從而得到良好的突觸形態(tài)結(jié)構(gòu)分割結(jié)果。
　　最后將拼接配準(zhǔn)好的序列切片圖像中的突觸致密結(jié)構(gòu)依次疊加起來(lái)，即得到突觸的三維重建結(jié)構(gòu)。
　　本文提出的突觸重建方法，不僅適用于各向同性的序列切片圖像，還適用于大體量的各向異性較明顯的序列切片圖像中突觸