尋找刺激神經(jīng)元生長(zhǎng)的方法的科學(xué)家們可以花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)仔細(xì)分析培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的細(xì)胞的顯微鏡圖像。布朗大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的一種新算法比以前的自動(dòng)化方法更自動(dòng)化地處理和分析圖像。該算法和一輪測(cè)試在《自然科學(xué)報(bào)告》中進(jìn)行了描述。

隨著神經(jīng)元的生長(zhǎng)，它們會(huì)延伸出稱(chēng)為神經(jīng)突的弦狀附屬物，這些附屬物與相鄰細(xì)胞形成關(guān)鍵連接。這些神經(jīng)元和神經(jīng)突神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于健康的神經(jīng)系統(tǒng)功能至關(guān)重要，科學(xué)家對(duì)尋找通過(guò)藥物，電刺激或其他方式鼓勵(lì)神經(jīng)元生長(zhǎng)的新方法感興趣。為了測(cè)試這些努力的效果，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)神經(jīng)元，并應(yīng)用不同的治療方法以觀察它們是否刺激生長(zhǎng)。這通常需要在數(shù)百小時(shí)或幾天的時(shí)間內(nèi)拍攝數(shù)百?gòu)埳窠?jīng)元的顯微鏡照片。

布朗的工程學(xué)教授，新論文的資深作者塔伊斯·帕爾馬洛(Tayhas Palmore)說(shuō)：“剩下的就是那堆巨大的照片。” “您需要分析從一幅圖像到另一幅圖像的變化，這可能非常艱巨。”

這些圖像中的細(xì)節(jié)很關(guān)鍵。神經(jīng)突是微小的結(jié)構(gòu)，在活細(xì)胞成像期間很難在顯微鏡下看到。但是準(zhǔn)確測(cè)量它們的長(zhǎng)度和厚度對(duì)于評(píng)估刺激的細(xì)胞生長(zhǎng)很重要。有幾種算法可以使圖像分析自動(dòng)化，但是它們做得并不出色。它們通常通過(guò)查看圖像中的單個(gè)像素并應(yīng)用均勻的濾鏡來(lái)挑選強(qiáng)度最高的像素來(lái)工作。那些高強(qiáng)度像素被假定為神經(jīng)元和神經(jīng)突結(jié)構(gòu)。

問(wèn)題在于顯微鏡圖像通常不是高質(zhì)量的，這使得很難從圖像中可能存在的隨機(jī)偽像中分辨出細(xì)胞結(jié)構(gòu)。結(jié)果，過(guò)濾器通常包含與神經(jīng)元結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的像素，并刪除重要的像素。在測(cè)量微小的神經(jīng)突附屬物時(shí)，這尤其是一個(gè)問(wèn)題。過(guò)濾器通常無(wú)法測(cè)量神經(jīng)突生長(zhǎng)的全部程度。

Kwang-Min Kim是Palmore實(shí)驗(yàn)室的前研究生，現(xiàn)在是斯坦福大學(xué)的博士后研究員，他想找到一個(gè)更好的解決方案。受計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究生和論文的第一作者Kilho Son先前工作的啟發(fā)，Kim開(kāi)發(fā)了一種新方法，該方法可以省去其他方法中使用的統(tǒng)一濾鏡。相反，稱(chēng)為神經(jīng)元圖像分析器(NIA)的新方法考慮了像素與相鄰像素的關(guān)系。

“我們不僅在尋找高強(qiáng)度像素，”金說(shuō)。“我們著眼于像素之間的關(guān)系信息。這樣，我們就可以跟蹤彼此相連的像素，這有助于我們跟蹤整個(gè)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。”

該算法采用的另一種技術(shù)是使用特定的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，該檢驗(yàn)擅長(zhǎng)挑選圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)。該測(cè)試用于精確定位和測(cè)量體細(xì)胞，即神經(jīng)元的斑點(diǎn)狀主體。

研究人員使用圖像的手動(dòng)注釋作為基準(zhǔn)，對(duì)照現(xiàn)有算法對(duì)NIA進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，NIA的準(zhǔn)確度是手工編碼的80%，而其他算法的準(zhǔn)確度僅為50%到60%。

研究小組希望其他研究人員將使用新方法。在缺乏復(fù)雜且昂貴的設(shè)備來(lái)拍攝極高質(zhì)量的神經(jīng)元圖像的實(shí)驗(yàn)室中，此功能尤其有用。

Kim說(shuō)：“我們希望對(duì)有興趣分析神經(jīng)元圖像的任何人提供這種方法，而無(wú)論其圖像的質(zhì)量如何。”

Kim和Son計(jì)劃繼續(xù)開(kāi)發(fā)NIA，以期進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確性和速度。

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