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vor 4 Monaten

Biologisch eingeschränkte Graphen für die Rekonstruktion globaler Connectome

{ Hanspeter Pfister Toufiq Parag Donglai Wei Haidong Zhu Daniel Haehn Brian Matejek}

Biologisch eingeschränkte Graphen für die Rekonstruktion globaler Connectome

Abstract

Die derzeit fortschrittlichsten Pipelines zur Rekonstruktion von Connectomen bestehen aus zwei Hauptphasen: einer initialen pixelbasierten Segmentierung mit Affinitätsvorhersage und Watershed-Transformation sowie einer nachfolgenden Verfeinerung der Segmentierung durch Zusammenführung übersegmentierter Regionen. Diese Verfahren beruhen ausschließlich auf lokalem Kontext und sind typischerweise biologisch indifferent. Da bereits wenige Fehlentscheidungen beim Zusammenfügen zu mehreren falsch verschmolzenen neuronalen Prozessen führen können, werden die Algorithmen derzeit auf Übersegmentierung abgestimmt, was eine erhebliche Belastung durch kostspielige Proofreading-Prozesse verursacht. Wir schlagen einen dritten Schritt für Connectom-Rekonstruktionspipelines vor, um eine Übersegmentierung unter Einbeziehung sowohl lokalen als auch globalen Kontexts zu verfeinern, wobei besonderes Augenmerk auf die Einhaltung der zugrundeliegenden Biologie gelegt wird. Zunächst extrahieren wir aus der Eingabesegmentierung einen Graphen, bei dem Knoten den Segmentbezeichnungen entsprechen und Kanten potenzielle Split-Fehler in der Übersegmentierung anzeigen. Um die Durchsatzleistung zu erhöhen und eine großskalige Rekonstruktion zu ermöglichen, wenden wir biologisch inspirierte geometrische Einschränkungen basierend auf Neuronmorphologie an, um die Anzahl der Knoten und Kanten zu reduzieren. Anschließend lernen zwei neuronale Netze diese neuronalen Formen, um den Graphenaufbau weiter zu unterstützen. Schließlich formulieren wir das Problem des Regionen-Zusammenfügens neu als Graph-Partitionierungsproblem, um globalen Kontext effektiv nutzen zu können. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes an vier realen Connectom-Datensätzen und erreichen eine durchschnittliche Verbesserung der Variation of Information um 21,3 %.

Benchmarks

BenchmarkMethodikMetriken
electron-microscopy-image-segmentation-onWaterz (3D U-Net)
Total Variation of Information: 0.807
VI Merge: 0.236
VI Split: 0.571
electron-microscopy-image-segmentation-onWaterz (3D U-Net) + Refinement
Total Variation of Information: 0.647
VI Merge: 0.209
VI Split: 0.438

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