Gapr使用指南

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。

2.2.1. 对比度

右侧是对比度调节工具，调节图像显示的亮度范围。点击下面的 Reset 按钮，则重置到 [0, 1] 的亮度范围；点击 Shrink 按钮，则缩小调节范围到当前选定的范围，有助于在较小的区间内精细调节。一般情况下，主要调节最大值（上侧滑块），背景太亮时可调节最小值（下侧）。

合适的对比度对于观察神经元结构非常重要，应该调节使得：背景很暗（但不是全黑），需要观察的信号较亮（但避免太亮）。当局部区域亮度范围大时（如：很暗的轴突和很亮的轴突靠近需要辨别，暗的树突接近另一个细胞很亮的胞体），应在不同的对比度下作多次观察。

2.2.2. 鼠标输入

中间是可视化和操作区域，鼠标操作如下：

转动鼠标滚轮缩小或放大图像。
单击右键弹出快捷菜单。
按下左键拖动则转动图像。只有通过转动才能观察三维结构，除了非常简单的结构外，都需要转动图像理解三维结构后再作判断。
单击左键选目标点。点到边或端点上，则直接选中对应节点。点到信号上，则选择 Z 方向亮度最大的位置，当图像信号差或太复杂时，需要转动图像后进行第二次点击来选择正确位置（两次点击的交点）。

使用鼠标

在二维显示模式下：

转动鼠标滚轮改变二维切面的深度。
按下左键拖动改变二维切面的方向。
单击左键选目标点。当无法选到节点时，直接根据二维切面确定三维坐标。

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	Edit Goto target，快捷键 `G`。跳转到目标点，即改变当前点为目标点。
略过	Edit Skip current node，快捷键 `S`。跳过当前点所在节点，在当前阶段不做处理，并跳转到下一个待处理节点。用于数据边界附近无足够信息作判断的情况。如果当前点无关联节点，关联节点无需处理，或已略过关联节点，则仅跳转。
标记神经元	Edit Create neuron，快捷键 `Ctrl`+`N`。在目标点处标记神经元，无关联节点时会添加节点。
报告错误	Edit Report error，快捷键 `Ctrl`+`E`。在目标点所在节点标记错误。用于对不确定或无法解析的节点进行标记。
连接	Edit Connect，快捷键 `C`。在当前点和目标点之间连接。用于补充遗漏的树突或轴突。新的片段在确认（延伸或分支）后，才会写入结果中。在图像数据较差导致连接结果不理想时，可以改变选点或调节对比度后再次尝试，可以把较长的连接分多次处理。连接时，新的片段会与当前点和目标点关联的节点建立连接，因此需要正确选点以确保连接关系正确。
延伸	Edit Extend，快捷键 `空格`。添加连接产生的新片段，并跳转到新片段的末端（对应目标点）。用于线性结构的分段添加。
分支	Edit Branch，快捷键 `B`。添加连接产生的新片段，不进行跳转。用于当前点在分支处添加分支片段，保持当前点不变以便添加其他分支。
结束	Edit End，快捷键 `E`。把当前点所在末端标记为结束（端点由橙色变成蓝色），并跳转到下一个待处理节点。用于处理正常末端。只有当图像数据支持当前分支在该处明确结束（无分支和延伸）时才能使用；不能明确的末端应标记成错误结束，边界处无足够信息应略过。如果当前点无关联节点，关联节点非端点，或端点已被标记，则仅跳转。
错误结束	Edit End as，快捷键 `Shift`+`E`。类似结束，但用于不正常的末端，如：信号逐渐减弱到无法解析、不是很有把握的连接等。目前不区分对话框里的具体错误类型。
删除	Edit Delete，快捷键 `X`。删去当前点和目标点之间的片段。当前点和目标点需关联到同一边上的节点，即不能跨多个边。
已校对	Edit Examined，快捷键 `W`。将当前点和目标点之间的片段标记为已校对（红色变成蓝色），并跳转到目标点。当前点和目标点需关联到同一边上的节点，即不能跨多个边（但可以跨红色、蓝色的边界）。只有当片段与图像中真实连接关系一致时，才能使用；不一致时，应先处理错误；错误无法处理，则应在标出错误后再进行此操作。

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。

2.4. 流程

软件会选取需要校对的地方（黄色的端点和红色的片段），然后跳转到该处并加载图像数据。在调好对比度后就可以进行校对操作，流程如下：

观察并理解图像中的三维结构和连接关系。
如由于在所加载图像边缘，无足够信息做判断，则可略过此处。
如连接关系不能确定，则参考详解，作出处理与错误标记。
如有漏掉的连接，则需补充上。
如有未标记的胞体，则补充标记。
如有错误、重复的连接，则修正错误、删掉重复的部分。
片段上无误或处理完成，则标记为已校对。
末端是正常结束则标记结束；能继续延伸或分支，则进一步补充；否则标记为错误结束。

后两步的操作表示此处（片段或末端）已处理完成，因此只能在错误、遗漏得到处理及不确定的情况被标记后，才能执行。

2.5. 示例

校对红色片段。对小分支遗漏进行了补充。

图表 1. 胞体标记。应标记到信号中心位置（两次点击可以更准确选点）。较大的圆点(2)表示胞体，较小的(1)为分叉点。

图表 2. 胞体处分支过早。下图A中绿色虚线内表示神经元胞体区域，胞体范围内不应产生分叉，而都应该算作从胞体处伸出的分支。修改如图B，将分支段删除，再连接到胞体上，最后的结果如图C所示。

胞体外的分支。

基于无三分叉的原则，此处不应连在一起。

去掉错误的连接。

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。

3.2. 标错

Gapr 中，重构结果的不确定用标错表示。对于末端，使用错误末端来标记当前点所在末端。在片段上或分支处，使用报告错误来标记目标点所在节点。对应于同一个不确定问题，只用（但必须）作出一次标记来标志位置，不需多次标记。在校对时，标错只表示不确定性及可能的重构错误，不做具体错误类型划分（错误末端的对话框中不用专门选择）。

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）。

3.6. 分支

如果有确定的判断，则依照判断处理。

确定的连接关系，做连接处理；很可能的连接关系，做连接处理，并标出错误（可能多连）；可能的连接关系，做不连接处理，并在一端标出错误（可能漏连）。同一位点只用进行一次错误标记。

3.7. 纠缠

应通过旋转多方向观察。如果可以依据粗细、亮度、角度作出确定的判断，则依照判读处理。

这里只讨论典型的纠缠，即存在两种连接方式。应根据图像信息选择可能性更高的连接方式（可能性不相上下时任选一种连接方式），进行相应连接处理，并在纠缠处标出错误。