這個(gè)名為CaImAn的工具取代了手動(dòng)跟蹤神經(jīng)元位置和活動(dòng)的過程

跟蹤單個(gè)神經(jīng)元的發(fā)射就像試圖辨別出誰在一個(gè)充滿尖叫的球迷的足球場(chǎng)上說什么。直到最近，神經(jīng)科學(xué)家不得不手工繁瑣地跟蹤每個(gè)神經(jīng)元。

“人們花費(fèi)更多時(shí)間分析他們的數(shù)據(jù)來提取活動(dòng)痕跡，而不是實(shí)際收集它們，”紐約Flatiron研究所計(jì)算生物學(xué)中心(CCB)神經(jīng)科學(xué)小組負(fù)責(zé)人Dmitri Chklovskii說。

一個(gè)名為CaImAn的突破性軟件工具使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的組合自動(dòng)化這一艱巨的過程。在1月發(fā)表在eLife雜志上的一篇論文中，該軟件的創(chuàng)建者證明了CaImAn在基于鈣成像數(shù)據(jù)檢測(cè)活躍神經(jīng)元的位置時(shí)實(shí)現(xiàn)了近乎人的準(zhǔn)確性。

CaImAn(鈣成像分析的縮寫)已經(jīng)免費(fèi)提供了幾年，并且已經(jīng)證明鈣成像領(lǐng)域非常寶貴，有超過100個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用該軟件。CaImAn的最新版本可在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上運(yùn)行并實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，這意味著科學(xué)家可以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)分析數(shù)據(jù)。“我的實(shí)驗(yàn)室很高興能夠使用這樣的工具，”杜克大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家約翰皮爾森說，他沒有參與軟件的開發(fā)。

CaImAn是Chklovskii在他的CCB小組中發(fā)起的努力的產(chǎn)物。他帶來了Eftychios Pnevmatikakis和后來的Andrea Giovannucci帶領(lǐng)這個(gè)項(xiàng)目。他們的目的是幫助解決由鈣成像方法產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)集。

該技術(shù)涉及向腦組織或培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元添加特殊染料。染料與負(fù)責(zé)激活神經(jīng)元的鈣離子結(jié)合。在紫外線下，染料亮起。熒光僅在染料與鈣離子結(jié)合時(shí)發(fā)生，使研究人員可以直觀地跟蹤神經(jīng)元的活動(dòng)。

分析通過鈣成像收集的數(shù)據(jù)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。這個(gè)過程產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù) - 每小時(shí)高達(dá)1TB的閃爍電影 - 很快就會(huì)變得無法抗拒。“一位實(shí)驗(yàn)者可以在一天內(nèi)填滿最大的商用硬盤，”倫敦大學(xué)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家MichaelHäusser說道，他的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了CaImAn。

數(shù)據(jù)也很吵。就像混合聲音一樣，來自不同神經(jīng)元的熒光信號(hào)經(jīng)常重疊，使得難以挑選出單個(gè)神經(jīng)元。此外，腦組織搖擺不定，增加了隨著時(shí)間的推移追蹤相同神經(jīng)元的挑戰(zhàn)。

Pnevmatikakis現(xiàn)在是Flatiron研究所計(jì)算數(shù)學(xué)中心的研究科學(xué)家，他首先開始在哥倫比亞大學(xué)Liam Paninski實(shí)驗(yàn)室開發(fā)CaImAn作為博士后基礎(chǔ)算法。

“它在數(shù)學(xué)上很優(yōu)雅并且做得不錯(cuò)，但我們意識(shí)到它并沒有很好地推廣到不同的數(shù)據(jù)集，”Pnevmatikakis說。“我們希望將其轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐓^(qū)可以使用的軟件套件。” 這也是他被Flatiron的神經(jīng)科學(xué)小組所吸引的部分原因，F(xiàn)latiron開發(fā)了用于分析大型數(shù)據(jù)集的新工具。

Pnevmatikakis后來開始與普林斯頓大學(xué)的博士后Giovannucci合作，應(yīng)用該算法跟蹤小腦顆粒細(xì)胞的活動(dòng)，這是一個(gè)密集的，快速射擊的神經(jīng)元組。“現(xiàn)有的分析工具不足以解開這些神經(jīng)元群體的活動(dòng)，并暗示他們都在做同樣的事情，”Giovannucci說，他加入CCB神經(jīng)科學(xué)小組三年，幫助開發(fā)更廣泛使用的軟件。“該算法減去背景聲音并集中于少數(shù)幾個(gè)，”揭示出個(gè)別顆粒細(xì)胞確實(shí)具有不同的活動(dòng)模式。

Flatiron Institute的進(jìn)一步工作磨練了CaImAn的能力，使研究人員更容易使用該軟件進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)而無需大量定制。

研究人員最近通過將其結(jié)果與人類生成的數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較來測(cè)試CaImAn的準(zhǔn)確性。比較證明，該軟件在識(shí)別活躍神經(jīng)元方面幾乎與人類一樣準(zhǔn)確，但效率更高。它的快速性使研究人員能夠即時(shí)調(diào)整他們的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)特定神經(jīng)元束如何促成不同行為的研究。人類數(shù)據(jù)集還揭示了人與人之間的高度可變性，突出了使用標(biāo)準(zhǔn)化工具分析成像數(shù)據(jù)的好處。

除了基準(zhǔn)測(cè)試準(zhǔn)確性之外，研究人員還使用人工注釋結(jié)果作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的工具來增強(qiáng)CaImAn包。他們已經(jīng)公開了這個(gè)數(shù)據(jù)集，因此社區(qū)可以使用它來進(jìn)一步擴(kuò)展CaImAn或創(chuàng)建新工具。