Nat Comm | 彭汉川团队等研发虚拟现实技术用于重建完整神经元形态

神经元作为大脑的基础组成单元，对研究大脑的结构和功能至关重要。获取神经元形态的通常流程包括大脑细胞的稀疏标注、全脑成像、脑图像可视化、神经元形态重以及后续的脑图像配准和形态数据分析等等。而这其中，脑图像的可视化与神经元形态重建是目前整个流程中的瓶颈。一个完整的小鼠全脑图像通常占据数十个Terabytes，猴脑的全脑图像更是达到Petabytes量级，而标注和成像技术的局限，也导致得到的图像具有较高的噪声和不均匀的信号。与此同时，脑神经元极为复杂的拓扑结构也进一步增加了形态重建的难度。

                           

  全脑神经元重建常规流程图

 

针对这些挑战，东南大学、上海大学、艾伦脑科学研究所等单位的研究人员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。2019年8月2日，东南大学-艾伦研究所联合中心的彭汉川团队牵头在Nature Communications发表文章TeraVR empowers precise reconstruction of complete 3-D neuronal morphology in the whole brain，对相关工作进行了具体阐述。

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。

TeraVR系统总体示意图

 

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。

基于TeraVR的高效而精确的全脑单神经元重建

 

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元标注人员使用商用软件Neurolucida重建完成的神经元，发现在使用非沉浸式可视化和交互软件得到的结果中，普遍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。同时，TeraVR更可以实现多人同时联机标注，进行一步提高神经元数据标注的准确性。

使用TeraVR对Neurolucida的结果进行校验

TeraVR已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。现在，TeraVR正在被更多的脑科学研究者使用及认可，因其简单易学易上手操作、趣味性强等特点，即使是小朋友也能够快速学习。同时TeraVR拥有更广泛的应用前景，团队相信在不久的将来，TeraVR一定会在更多行业中发挥它的所长。如果想进一步了解并体验TeraVR系统，欢迎参加9月15日-17日在南京主办的“神经元重建及应用国际研讨会”(NRA2019).http://braintell./allencenter/nra2019/index.html