1. 介绍
Gapr 是一个神经元重构的软件系统。 神经元重构是指从图像数据中提取出神经元的三维形态,是一项很难完全自动化解决的问题。
Gapr 首先会进行自动重构,重构结果中会包含多种错误。 因此需要通过使用 Gapr 的 Proofread 工具进行人工校对,找到并修正这些错误,从而得到正确的重构结果。 进行校对时,需要注意:
-
重构和校对应基于图像、生物学知识及经验积累,而不是想象和猜测。
-
重构结果要和图像中真实神经元的树形结构及连接关系一一对应,不能有重复、错连、多连和遗漏。
-
校对过程要仔细认真,尽量避免出现错误。
-
图像数据难免出现信号不好、模糊不清的地方,需要依经验进行判断。无法做确定判断时,要标记出这些地方(见详解)。
进行神经元重构、校对时需要用到一些基础的神经生物学知识。
1.1. 神经元
神经元(也称神经细胞)是神经系统的结构单元,拥有庞大、复杂的树形结构。 典型的神经元由一个胞体、多个树突和一个轴突构成。 树突和轴突均为树形结构,有些时候难以区分开,在校对时也不用区分。 如下图,中间的膨大为胞体,周围的树形结构为树突与轴突。
以下是一些重构及校对时的判断依据:
-
一个神经元只有一个胞体,因此树突或轴突上多次出现的膨大不是胞体。
-
树突和轴突都是树形结构,因此内部不会形成环。
-
同一个神经元,两个树突之间、树突与轴突之间,都不会有连接。
-
不同神经元的树突与轴突之间,也不存在连接。
-
树突与轴突几乎都是二分叉,不会出现三分叉或多分叉。
-
树突或轴突的亮度、粗细、方向、形状一般不会骤变,尤其是在长的轴突片段上会很连续。(注意区分突触的膨大)
-
分支处,上游分支(近胞体)与下游分支的夹角一般较大(钝角)。
-
一般不会存在孤立的树突或轴突片段。
-
示踪、成像好的情况下,树突和轴突信号一般具有好的连续性。
为保护知识产权,Gapr 软件及相关数据请严格保密。
2. 使用
2.1. 准备
进入 Gapr 主页下载软件并注册账号。 注册时,请在备注(Comment)里提供联系方式和一些相关信息。 新账号需激活后方可使用。
解压缩后(而不是直接打开 ZIP 文件),运行 bin 目录下的 gapr-proofread.exe。
在登陆对话框中输入仓库名、用户名及密码。 点击历史中的条目,可以自动输入之前的登陆信息(不包含密码)。 登陆后请等待加载重构结果和图像数据。
校对结果会在服务器端实时保存,因此退出前无需保存。
2.2. 用户界面
点开菜单可以看到所有的操作和对应的快捷键,熟悉使用快捷键可以提高操作效率。
2.3. 操作
校对操作的输入是当前点和(或)目标点。 当前点是显示的中心,由橙色园圈表示。 改变当前点需选择目标点后再跳转。 目标点通过鼠标左键点击选取,由橙色十字表示。 一些校对操作也会改变当前点或清除目标点。
当前点及目标点可以在边上、在端点上,也可以与边及端点无关联,应按需要进行正确选取。 比如,补充两条应连到一起的边之间漏掉的部分,则需要选到端点上,而不仅是靠近端点的位置。
主要的校对操作:
跳转 | |
略过 |
。 |
标记神经元 |
Ctrl+N。 |
报告错误 | ,快捷键 |
连接 |
。 |
延伸 |
。 |
分支 |
。 |
结束 |
。 |
错误结束 |
Shift+E。 |
删除 |
|
已校对 |
。 |
已有对应图像数据的连接关系时,应使用已较对操作, 而不是连接后添加新的重叠的片段。 |
3. 详解
3.1. 确定性
单神经元重构的目标是获得确定的神经元形态结构,而不是概率上的连接关系。 但由于示踪、成像中存在的问题,图像中难免存在无法确定的情况。 不确定的程度,难以进行具体定量表示。 因此在 Gapr 中,图像中的连接关系只定性的分为以下情况:
-
确定无连接。校对时,应保证结果中无对应连接关系。例如:
-
会形成环的结构中最弱的连接处。
-
典型的末端结构。
-
-
可能连接,无法在连接和不连接之间选择。校对时,应避免结果中有对应连接:如已连接,则标出错误(可能多出);如无,则不做连接,并标出错误(可能漏掉)。例如:
-
有明显问题的、但仍可能有连接关系的地方。
-
信号密集区域的分支、纠缠。
-
-
很可能连接,倾向于连接但无法确定。校对时,应使得结果中有对应连接,并标出错误(可能多出)。例如:
-
稍有问题的连接关系。
-
-
确定连接。校对时,应使得结果中有对应连接。例如:
-
信号清晰、连续、一致的地方。
-
稀疏区域的简单结构。
-
有规律的图像问题导致的不连贯。
-
3.3. 准则
为了确保多人校对结果的正确性与一致性,校对时要遵守如下准则:
-
很可能及确定的连接,都做连接处理,不能确定则需额外标出错误。
-
可能的连接,倾向于不连接,并标出错误。已有连接则不需去掉,仅标错(可能多连);之前没有,则不连接并标错(可能漏连)。
-
不可能的连接,如已有连接,应删掉。
出现可能性较高的典型情况的处理,会在后面举例说明。 非典型的情况,无法一一列举,需按照一定的准则进行操作。 当然典型情况的处理也是符合这些准则的。
3.4. 舍弃
在图像中,难以避免地存在暗的胞体,暗的或细的树突和轴突。 太暗或太细的结构,难以辨别,应当舍弃。 但亮度、粗细是连续的,难以给出一个明确的界限,以下是一些参考:
-
胞体很暗,缺少能较好重构的树突与轴突,且周围此亮度以上的胞体非常多,则不用标出胞体。确定亮暗应注意调节对比度。
-
在当前范围内能确定不会与其他结构有关系的树突或轴突片段,如果信号好可保留,信号不好应删除。在边界附近不能作决定时应略过。
-
逐渐变暗到无法看清,继续重构价值不大的片段,则不进一步重构,并在末端标记错误结束。
-
可能的分支,但分支出去的片段看不清,重构价值不大,则舍弃此分支片段,并在可能的分支处标记错误。
3.5. 间断
如果有依据确定是否连接,则做简单的连接或不连接处理。 例如:有规律的多次出现的间断,一般是图像问题,应连接;稀疏区域的大幅度间断,结构简单时,应连接;片段其他部分不可能有连接,则在间断处必然连接;间断处是环的唯一薄弱处,则必然无连接。
如果很可能连接,则做连接处理,并在间隙处标记错误(可能多出连接); 如果可能连接,则做不连接处理,并把两末端标记成错误末端(可能漏连)。