腦是人體最為復(fù)雜的器官，揭示腦的奧秘被認(rèn)為是生命科學(xué)研究的“終極疆域”。

其中，神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，不僅是人類探索大腦奧秘，揭開(kāi)人類行為模式、思考模式的突破口，也對(duì)治愈人類神經(jīng)疾病有重要意義。重建神經(jīng)元會(huì)讓我們深入了解大腦工作模式。

不過(guò)，這也是一項(xiàng)異常艱巨的工作：每個(gè)神經(jīng)元各不相同，又相互交織，同時(shí)，它們還會(huì)從其他數(shù)千個(gè)神經(jīng)元那里接收信息，并與數(shù)千個(gè)神經(jīng)元共同輸出信息，科學(xué)家常常把神經(jīng)元之間的映射關(guān)系比作復(fù)雜的高速公路。

想要重建神經(jīng)元，我們不僅需要弄清楚每個(gè)神經(jīng)元的特質(zhì)，更要弄清楚它與其他數(shù)千個(gè)神經(jīng)元，在如不同化學(xué)藥品、不同行為反饋等情境下信息交換的模式。

10月7日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《Nature》發(fā)布了題為《Morphological diversity of single neurons in molecularly defined cell types》的小鼠大腦神經(jīng)元重構(gòu)的文章。該研究實(shí)現(xiàn)了1741個(gè)小鼠神經(jīng)元的重建，是目前全球?qū)W術(shù)范圍內(nèi)最大規(guī)模的神經(jīng)元重建；同時(shí)還定義出11種具有不同形態(tài)特征和基因表達(dá)的主要投射神經(jīng)元類型。

據(jù)介紹，這項(xiàng)研究成果出了為細(xì)胞分類研究提供了科研素材，也為繪制全局網(wǎng)絡(luò)和局部回路圖譜提供了基礎(chǔ)真實(shí)信息。

據(jù)悉，在完整神經(jīng)元形態(tài)重建中，科學(xué)家將神經(jīng)元細(xì)胞類型準(zhǔn)確分類和神經(jīng)元多樣性考慮進(jìn)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還將不同但相關(guān)的細(xì)胞特性進(jìn)行了整合，以獲取更加精確的神經(jīng)元分類和圖譜繪制。

當(dāng)然，完成這項(xiàng)工作并不輕松。科學(xué)家們需要詳細(xì)分析小鼠全腦三維數(shù)據(jù)集，其包含上萬(wàn)個(gè)XY平面的冠狀圖像，使用TeraVR虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)記系統(tǒng)對(duì)3D圖像進(jìn)行人工標(biāo)記，來(lái)重建每個(gè)神經(jīng)元的完整形態(tài)。 

論文截圖

對(duì)于2D圖像的標(biāo)注，科學(xué)家只需關(guān)注平面上的點(diǎn)位，相對(duì)較為容易；但這項(xiàng)研究是通過(guò)VR設(shè)備在3D圖像上做標(biāo)記，這也意味著科學(xué)家們不僅需要了解該標(biāo)記在基于平面視角上的精確位置，還需要從立體視角精確標(biāo)記該點(diǎn)位的深度。

這就如同一個(gè)人在3D游戲中想抓住一只飛行在極大空間里的小蟲(chóng)，用戶雖然可以迅速定位這只小蟲(chóng)的平面位置，但真正捕捉它的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)它在定位空間之外的垂直高空中。這也是人工標(biāo)注容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因。

因此，所有神經(jīng)元數(shù)據(jù)還需要再讓獨(dú)立的科學(xué)家進(jìn)行檢查和勘誤，全部數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)三輪校驗(yàn)甚至修正才能得到最終標(biāo)注結(jié)果，而每個(gè)數(shù)據(jù)完成一輪勘誤需要花費(fèi)至少1小時(shí)人工。

鑒于此，騰訊天衍實(shí)驗(yàn)室針對(duì)性地開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)的錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法，用AI對(duì)人工標(biāo)注進(jìn)行自動(dòng)糾錯(cuò)。據(jù)介紹，該算法能對(duì)包括循環(huán)、間隙和不正確的節(jié)點(diǎn)類型重建錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和基本糾正，并將糾正結(jié)果發(fā)回進(jìn)行人工核實(shí)。據(jù)測(cè)算，該算法對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)重建錯(cuò)誤檢測(cè)AUC達(dá)到94.9%，準(zhǔn)確率達(dá)到86.6%。

當(dāng)然，對(duì)于擁有860億神經(jīng)元的人腦研究來(lái)說(shuō)，我們還有很長(zhǎng)的路要走，但能成功將AI引入工程巨大的神經(jīng)科學(xué)研究的海洋，對(duì)我們來(lái)說(shuō)或許是開(kāi)啟更復(fù)雜世界探索之旅的一個(gè)開(kāi)始。

附注

該研究由西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所和東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院/東南大學(xué)-艾倫聯(lián)合研究中心聯(lián)合牽頭，彭漢川教授、曾紅葵教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)共同參與。騰訊天衍實(shí)驗(yàn)室作為論文共同完成單位和東南大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了AI糾錯(cuò)技術(shù)，協(xié)助科學(xué)家展開(kāi)研究。