當(dāng)神經(jīng)元相互交流時(shí)，它們會(huì)傳遞——或“發(fā)射”——稱(chēng)為動(dòng)作電位或尖峰的小電脈沖。這些動(dòng)作電位是大腦中信息處理的基本單位。今天，神經(jīng)元活動(dòng)通常通過(guò)鈣成像來(lái)測(cè)量，它使用先進(jìn)的顯微鏡來(lái)檢測(cè)神經(jīng)元內(nèi)鈣指示劑的熒光變化。這種方法變得非常流行，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)檢測(cè)完整大腦中許多神經(jīng)元的神經(jīng)元活動(dòng)。然而，它不是直接檢測(cè)動(dòng)作電位，而是間接測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)：熒光信號(hào)取決于通過(guò)細(xì)胞膜中的鈣通道流入的鈣，這些通道被動(dòng)作電位激活。單個(gè)動(dòng)作電位導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣濃度的短暫增加和隨后的降低，這比動(dòng)作電位本身慢得多。因此，通過(guò)顯微鏡測(cè)量的鈣信號(hào)是神經(jīng)元真實(shí)電活動(dòng)的緩慢、扭曲和嘈雜的“陰影”。因此，需要從測(cè)量的鈣信號(hào)中重建動(dòng)作電位放電率的真實(shí)波動(dòng)，這并非易事。
鈣信號(hào)和尖峰率之間的關(guān)系通過(guò)同時(shí)電生理記錄和同一神經(jīng)元中鈣指示信號(hào)的光學(xué)成像進(jìn)行理想的評(píng)估。這種雙重記錄可以作為“基本事實(shí)”，以校準(zhǔn)和優(yōu)化從其他鈣成像數(shù)據(jù)推斷尖峰率的算法。基于這樣的地面實(shí)況數(shù)據(jù)集，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種尖峰推斷算法，但它們通常使用復(fù)雜，精度不確定。
重建動(dòng)作電位的歷史
在2006 年的這篇論文中，F(xiàn)MI 小組負(fù)責(zé)人 Rainer Friedrich 是最早開(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)重建鈣成像尖峰的人之一。弗里德里希 (Friedrich) 對(duì)該主題的興趣隨后在他獲得博士學(xué)位時(shí)重新激活。學(xué)生 Peter Rupprecht 想出了使用高級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)重建尖峰的想法。在 2017 年贏得“Spikefinder”挑戰(zhàn)后，Rupprecht 在 FMI 的最后幾個(gè)月致力于同時(shí)測(cè)量來(lái)自許多不同神經(jīng)元的鈣信號(hào)和動(dòng)作電位，并開(kāi)發(fā)了一種新算法來(lái)從鈣成像推斷尖峰。然后他繼續(xù)從事這個(gè)項(xiàng)目，并在蘇黎世大學(xué)腦研究所作為博士后完成了它。Rupprecht 簡(jiǎn)單有??效算法，今天刊登在Nature Neuroscience 上，明顯優(yōu)于所有現(xiàn)有算法。
首先，Rupprecht 使用各種物種(小鼠和斑馬魚(yú))、神經(jīng)元類(lèi)型、鈣指示劑等，從公開(kāi)可用的和新執(zhí)行的記錄中編譯了一個(gè)大型且多樣化的地面實(shí)況數(shù)據(jù)庫(kù)。然后他開(kāi)發(fā)了一種新的尖峰推理算法，利用地面實(shí)況數(shù)據(jù)集，基于機(jī)器學(xué)習(xí)。通過(guò)在各種數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練算法，他設(shè)法創(chuàng)建了一種“通用”模型，即使對(duì)算法以前從未接觸過(guò)的數(shù)據(jù)集也能做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
標(biāo)簽： 成像神經(jīng)元
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