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在虚拟现实中重建完整神经元!上大王宜敏团队

  原标题:在虚拟现实中重建完整神经元!上大王宜敏团队在Nature子刊发表研究论文

  获取大脑中神经细胞三维形态的数字化表示,对于理解大脑认知原理、诊断治疗多种脑疾病、以及设计类脑智能系统等问题均具有重要的意义;但同时,这也是一项极具挑战的工作,由于神经细胞自身通常具有高度复杂性,传统的计算工具往往难以胜任。

  针对上述问题,我校计算机工程与科学学院类脑计算实验室王宜敏团队在脑科学图像大数据可视挖掘领域取得关键进展,与美国艾伦脑科学研究所、东南大学等国内外单位合作,基于虚拟现实及人工智能技术设计并研发了一套开源的半自动化全脑神经元重建系统TeraVR,用以高效且精确的从超大规模脑显微图像数据中产生大量全脑神经元形态结构。同时,团队在Nature子刊《Nature Communications》发表一篇研究论文《TeraVR empowers precise reconstruction of complete 3-D neuronal morphology in the whole brain》,论文于2019年8月2日上线。

  2018年的美国神经科学年会(SfN)上,TeraVR系统被甄选为热点议题,进行了专场报告;同时在国内外多个不同的场合进行了展示,多达数千名神经科学领域的学者及学生已实际体验了本系统。

  目前,TeraVR系统在全球多个广受瞩目的脑科学大项目中被系统性的使用,用于产生单细胞神经元形态数据。国内外多个知名神经科学实验室也已采用了本系统开展相应的研究工作,并将与团队展开进一步深入的合作。

  我校计算机学院的类脑科学研究团队在这项研究中作出了主要的贡献,王宜敏老师是本篇论文的第一作者和共同通讯作者,2018级硕士生李琦是本文第二作者,2017级硕士生孔令胜、计算机学院骆祥峰教授与郭毅可教授也作为共同作者参与了本研究,此外,计算机学院在高水平大学建设中也十分注重国际合作,美国艾伦脑科学研究所的彭汉川教授也是本文的共同通讯作者。

  自高水平大学建设以来,我校计算机学院根据学科发展需要,聚焦前沿研究领域,在脑科学与类脑计算方向进行了重点布局,并新近成立了类脑计算专业实验室。本次在Nature Communications上发表的研究成果,是实验室成立以来取得的首个重要进展,我校计算机学院今后将继续聚焦脑科学领域,目前已有多项后续重要研究正在开展过程中。

  TeraVR提供了沉浸式的双目立体成像,使得神经科学家可以更方便的观察大脑结构,并从中分析出高度复杂的神经元树突及轴突的三维投射路径。同时TeraVR系统支持基于云平台的多人协作标注,进一步提升神经元重建的效率。

  一个全脑神经元通常包括上千个分段结构。通过对使用TeraVR得到的神经元数据进行分析,可以发现TeraVR的使用模式和全脑图像的局部信号强度有较为明显的关联。在图像信噪比更低的区域或是具有复杂树突/轴突分叉模式的区域,都会大量使用TeraVR进行神经元重建。

  研究进一步调查了使用现有的常用软件,能否达到与TeraVR类似的神经元重建精度。研究人员使用TeraVR系统重新检查了一系列之前由资深神经科学家使用Neurolucida(一款普遍使用的商用软件)重建完成的神经元。然而,发现在使用Neurolucida得到的结果中,存在着各种重建缺失、过度重建、拓扑错误等问题。这些现象说明了传统工具在全脑神经元重建上的局限性。通过使用TeraVR,可以得到更为完整及精确的神经元结构。

  总结来说,TeraVR是一套针对大规模数据处理的虚拟现实系统,是能够用于产生完整全脑神经元形态的有效工具。

  王宜敏先后于复旦大学和新加坡南洋理工大学取得计算机科学方向的学士和博士学位。曾在IBM研究院工作,后加入上海大学计算机工程与科学学院。研究方向为脑科学大数据可视挖掘、多维度生物医学图像处理与模式识别、计算机图形学与可视化、虚拟现实等等,并在重要国际期刊和会议上发表多篇论文,同时获得10余项美国专利局专利。

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