Google и Гарвард выпустили визуализацию коннектома человеческого мозга на 1,4 петабайта

0
17

Исследователи Гарвардского университета совместно с Google AI создали трёхмерную карту одной миллионной части человеческого мозга, состоящую из 196 миллионов двумерных изображений. Объём обработанной информации — 1,4 петабайта. 

Google и Гарвард выпустили визуализацию коннектома человеческого мозга на 1,4 петабайта

Петабайтная коннектомная реконструкция неокортекса человека. Слева: маленький подволюм набора данных. Справа: подграф из 5 тысяч нейронов, возбуждающих (зелёный) и тормозных (красный) соединений в наборе данных. Полный граф слишком большой для визуализации

Специалисты в области коннектомики работают над созданием комплексных нейронных карт животных. В 2019 году исследователи выпустили коннектом круглого червя Caenorhabditis elegans, состоящий из 386 нейронов для самца и 302 нейронов для гермафродита. Это первая и пока единственная полная нейронная карта живого организма.  

В прошлом году учёные Исследовательского кампуса Джанелия в Вирджинии совместно с Google AI опубликовали детализированную трёхмерную карту половины мозга плодовой мушки с 25 тысячами нейронов, образующих более 20 миллионов соединений (синапсов). На момент выхода это была самая масштабная нейронная карта. 

Человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов и сотен триллионов соединений. Изучению мозга человека карты нейронов насекомых и червей помочь не могут. Поэтому исследователи продолжили работу и первого июня выпустили трёхмерную нейронную карту участка мозга объёмом 1мм³ (одна миллионная часть мозга) с десятками тысяч нейронов и 130 миллионами синапсов. 

Массачусетская больница общего профиля в Бостоне предоставила учёным образец ткани для картирования. В процессе некоторых операций врачи удаляют и утилизируют часть коры головного мозга. Образец из исследования принадлежал 45-летней женщине с лекарственно-устойчивой эпилепсией. В ходе операции врачи, чтобы добраться до повреждённых тканей, вырезали часть здоровых без вреда для пациенки. С согласия женщины хирурги передали часть коры в Гарвард.

Нейробиологи в Гарварде разрезали ткани микротомом и получили около 5,3 тысяч 30-нанометровых срезов. После они закрепили срезы на кремниевых пластинах и визуализировали ткани разрешением 4 нанометра в 61-лучевом сканирующем электронном микроскопе. В итоге исследователи получили 247 миллионов двумерных изображений весом 2,1 петабайт и передали их алгоритмам для сшивания. 

Перед сшиванием пайплайны выравнивали изображения, чтобы смягчить дефекты: артефакты, пустые участки, разницу в масштабах из-за физической деформации тканей и различия в качестве из-за смены настроек микроскопа в разные дни съёмок. Выравнивание сократило число изображений с 247 до 196 миллионов и вес до 1,7 петабайт. Алгоритмы сшили изображения. Итоговый объём сократился до 1,4 петабайт. Процесс сшивания и визуализации занял 326 дней. 

Для трёхмерной визуализации каждой клетки мозга учёные взяли пайплайн нейросети Flood-Filling с тысячами Google Cloud TPUs. Они также использовали дополнительные пайплайны для поиска и характеристики 130 миллионов синапсов, классификации каждого трёхмерного фрагмента на субкомпартменты и поиск представляющих интерес структур, например миелина или ресничек нервных клеток. 

Google и Гарвард выпустили визуализацию коннектома человеческого мозга на 1,4 петабайта

(A) Нейрон пирамидальной формы, почти лишённый шипов. (B) Нейрон с морфологией интернейронов, но с множеством шиповидных выступов на дендритах. (C) Редкий интернейрон, проходящий горизонтально (по касательной) через набор данных. (D) и (E) Пример «тёмной» клетки в ткани, имеющей морфологию пирамидных клеток. (F) Нейрон с двумя отдельными аксонами, выходящих из сомы (белые стрелки). Оба образуют исходящие синапсы (в прямоугольниках), показанных в (G). (H) Нейрон с необычным дендритным деревом (тело клетки смещено в сторону). (I) Поперечное сечение тела клетки астроцита с двумя ядрами. 

Эта нейронная модель визуализирует всего одну миллионную часть головного мозга. При увеличении масштабирования исследователи сталкиваются с множеством технических проблем. Даже сохранить все данные тяжело. Учёные частично решили проблему шумоподавлением и машинным обучением, за счёт чего сократили вес модели в 17 раз с незначительной потерей точности.

Google и Гарвард выпустили визуализацию коннектома человеческого мозга на 1,4 петабайта

Качество реконструкции шумных и шумоподавленных изображений в зависимости от степени сжатия для кодеков JPEG XL (JXL) и AV Image Format (AVIF). Точки и линии показывают средние значения, области с заливкой покрывают ± 1 стандартное отклонение от среднего

Благодаря модели исследователи изучили активность нейронных клеток в нанометровом масштабе и обнаружили несколько необычных и редких реакций. Авторы предполагают, что эпилепсия у донора влияет на эти реакции, но это предположение требует проверки. Хирурги брали образцы мозга из неповреждённых участков, поэтому состав тканей должен соответствовать тканям здорового человека.

В настоящее время исследователи работают над решением технических проблем с организацией доступа и хранения данных. По их словам, все необходимые решения появятся в ближайшее время. 

Авторы выложили реконструкцию в открытый доступ на онлайн-интерфейсе Neuroglancer. Интерфейс поддерживает функцию поиска конкретных нейронов на основе их типа или определённых свойств. Исследователи использовали эту же платформу для визуализации мозга плодовой мушки. 

Материалы исследования опубликованы в статье «A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex»на bioRxivDoi.org/10.1101/2021.05.29.446289.