谷歌最新的人工智能研究深入到了果蠅的大腦。

最近，谷歌發(fā)表了一項研究結(jié)果：“基于洪水填充網(wǎng)絡(luò)和局部調(diào)整的EM果蠅大腦連續(xù)切片自動重建”（ Automated Reconstruction of a Serial-Section EM Drosophila Brain with Flood-Filling Networks and Local Realignment）,它探討了整個果蠅大腦每個神經(jīng)元的自動重建，由谷歌與霍華德?休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）Janelia研究院和劍橋大學(xué)合作的。

參與這項研究的團(tuán)隊給一只果蠅的大腦細(xì)胞和突觸注入重金屬，用來標(biāo)記每個神經(jīng)元及其連接的輪廓。為了生成圖像，他們用一束電子束轟擊大約7062個大腦切片，然后電子束穿過了除含有重金屬部分以外的所有物體。

圖丨果蠅大腦圖（來源：谷歌）

這篇最新論文的共同作者希望，他們在連接組學(xué)方面的工作，如連接組的制作和研究、生物體神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)連接的綜合圖譜等，能加速 HHMI 和劍橋大學(xué)對果蠅大腦中學(xué)習(xí)、記憶和感知的研究。本著開源的精神，他們使用內(nèi)部交互式 3D 界面 Neuroglancer 提供了可供下載和瀏覽的完整結(jié)果。

果蠅并不是隨意選取的目標(biāo)。正如該論文的幾位合著者在一篇博客文章中所指出，果蠅的大腦相對較小（10 萬個神經(jīng)元），與青蛙的大腦（超過 1000 萬個神經(jīng)元）、老鼠的大腦（1 億個神經(jīng)元）、章魚的大腦（5 億個神經(jīng)元），以及人類的大腦（1000 億個神經(jīng)元）相比是最佳選擇。這使得他們更容易做“完整的閉環(huán)”研究。

要繪制出一個果蠅的大腦，首先需要將它切成數(shù)千個 40 納米的超薄切片，然后用透射電子顯微鏡對其成像，并將其排列成整個大腦的三維立體圖像。接下來，成千上萬的由谷歌定制的人工智能加速芯片——云張量處理單元（TPUs），運行一種被稱為洪水填充網(wǎng)絡(luò)（FFNs）特殊的算法，這種算法用于復(fù)雜和大型形狀，特別是組織的立體數(shù)據(jù)集的分割。隨著時間的推移，F(xiàn)FNs 會自動追蹤果蠅大腦中的每個神經(jīng)元。

然而重建工作并非一帆風(fēng)順。當(dāng)連續(xù)切片中的圖像內(nèi)容不穩(wěn)定或多個連續(xù)切片丟失時（切片和成像過程存在一定的挑戰(zhàn)），F(xiàn)FNs 算法的性能就會很差。

為了減少精度和準(zhǔn)確度的下降，研究小組估計了各個切片之間 3D 大腦圖像的一致性，并在 FFNs 算法突出每個神經(jīng)元的同時局部穩(wěn)定了圖像內(nèi)容。此外，他們還使用了一種被稱為分段增強(qiáng) CycleGAN （SECGAN）的人工智能模型，來計算填補(bǔ)立體圖像中缺失的部分，該模型專門用于分割的生成式對抗網(wǎng)絡(luò)。有了這兩種新方法，他們發(fā)現(xiàn) FFNs 算法能夠“更可靠地”追蹤多個缺失切片的位置。

圖丨40 萬億像素的果蠅大腦重建圖。注：右下角為谷歌 AI 在 2016 年和 2018 年出版物中分析的較小的數(shù)據(jù)集。（來源：谷歌）

在對果蠅大腦完全成像的情況下，研究小組用前面提到的 Neuroglancer 解決了可視化的問題。

Neuroglancer 是開源的，目前被 Allen 腦科學(xué)研究所、哈佛大學(xué)、HHMI、馬克斯普朗克研究所、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)以及其他地方的學(xué)者使用。另外，它基于 WebGL，并在最新版本的 Chrome 和 Firefox 中得到支持，目前它公開了一個由三個正交橫斷面視圖組成的四窗格視圖，以及一個顯示選定對象的 3D 模型視圖(具有獨立的方向)。

除了能夠查看 PB 級的 3D 立體之外，Nueroglancer 還支持諸如任意軸橫斷面重新排列、基于線段的模型、多分辨率網(wǎng)格以及通過與 Python 集成開發(fā)的自定義分析工作流等功能。此外，它能夠通過 HTTP 以多種格式攝取數(shù)據(jù)。

論文的合著者指出，他們的大腦圖像并不完美，仍然包含一些錯誤，并且跳過了對突觸的識別。但他們預(yù)計，分割方法的進(jìn)步將帶來重建方面的進(jìn)一步改進(jìn)。他們還表示，他們正在與 Janelia 研究院的 FlyEM 團(tuán)隊合作，利用聚焦離子束掃描電子顯微鏡的技術(shù)獲得圖像，創(chuàng)建一個“高度驗證的”、“詳盡的”果蠅大腦連接體。

來源：MIT科技評論