[论文解读] Annotating Synapses in Large EM Datasets

Stephen M. Plaza, Toufiq Parag+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Computational Physics and Python Applications参考文献 10被引用 14

一句话总结

本文提出了一种半自动、可扩展的工作流程，用于在大规模电子显微镜（EM）数据集中进行高通量突触注释，通过T-棒预测和聚焦的人工验证，对果蝇髓瓣中的56,621个T-棒和336,735个突触后致密斑（PSD）进行了注释。该方法实现了前所未有的规模和效率，减轻了校对者的负担，并实现了高精度和一致性的大规模连接组重建。

ABSTRACT

Reconstructing neuronal circuits at the level of synapses is a central problem in neuroscience and becoming a focus of the emerging field of connectomics. To date, electron microscopy (EM) is the most proven technique for identifying and quantifying synaptic connections. As advances in EM make acquiring larger datasets possible, subsequent manual synapse identification ({\em i.e.}, proofreading) for deciphering a connectome becomes a major time bottleneck. Here we introduce a large-scale, high-throughput, and semi-automated methodology to efficiently identify synapses. We successfully applied our methodology to the Drosophila medulla optic lobe, annotating many more synapses than previous connectome efforts. Our approaches are extensible and will make the often complicated process of synapse identification accessible to a wider-community of potential proofreaders.

研究动机与目标

• 解决大规模EM数据集中手动突触注释在连接组重建中的主要瓶颈问题。
• 开发一种可扩展、一致且易于访问的突触注释方法，以减少校对者的工作量和错误率。
• 通过利用各向同性的FIB-SEM成像和自动T-棒预测，提高突触检测的准确性和召回率。
• 通过突触注释指导并优化图像分割，从而实现下游神经元重建。
• 为未来大规模连接组项目中的众包和自动化突触注释奠定基础。

提出的方法

• 采用FIB-SEM成像生成近各向同性的EM数据集（10 nm/体素），在正交平面上提升T-棒的可见性。
• 使用基于深度学习的T-棒预测算法自动检测潜在的突触前位点，从而减少人工扫描的工作量。
• 实施两阶段注释工作流程：首先验证T-棒预测结果，然后为每个T-棒识别其突触后伙伴（PSD）。
• 应用聚焦的协议和可视化工具（例如Raveler、Ilastik）以简化导航并减轻校对过程中的认知负荷。
• 利用突触注释指导并优化后续的图像分割，以实现神经元重建。
• 集成反馈回路，使突触注释能够提升分割精度，从而实现神经元形态的迭代优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 自动化T-棒预测是否能显著减少在大规模EM数据集中进行手动突触注释所需的时间和精力？
• RQ2 与各向异性的连续切片TEM相比，各向同性的FIB-SEM成像在突触检测和注释方面有何改进？
• RQ3 聚焦的注释协议和可视化工具在多大程度上能提升校对者的效率和一致性？
• RQ4 突触注释能否作为有效约束，以提高下游图像分割和神经元重建的准确性？
• RQ5 该半自动突触注释工作流程在不同脑区和数据集中的可扩展性和可重复性如何？

主要发现

• 团队成功在7列果蝇髓瓣数据集中注释了56,621个T-棒和336,735个突触后伙伴，其规模是先前单列连接组研究的4倍。
• T-棒密度达到每立方微米2.1个，高于先前单列研究报道的1.4个，可能得益于各向同性FIB-SEM数据中更高的可见性。
• 每个T-棒平均对应5.9个PSD，表明其突触连接的多极性高于以往报道，可能是因为更好地检测到了倾斜和细小的突触结构。
• 校对者在T-棒注释中的效率为88%，在PSD追踪中的效率为76%，每日注释输出分别为613立方微米/天（T-棒）和84立方微米/天（PSD）。
• 该工作流程实现了稳定、高精度的注释，且与已有文献数据高度一致，表明其具有良好的生物学真实性。
• 所有突触的可视化揭示了结构模式，例如近端髓瓣层中突触密度更高，以及X/Y投射中清晰的柱状组织结构。