最宏伟的医学众包实验:EyeWire游戏如何助力神经科学研究
时间:2015-12-10 20:33 来源:未知 作者:未知 点击:次
神经科学(neuroscience)作为当前最前沿的科研领域之一,致力于揭示人脑的奥秘。然而,由于人脑的极端复杂性——包含约1000亿个神经元,每个神经元通过数千个突触相互连接——全面理解大脑的连接组(connectome)成为一项巨大挑战。前麻省理工学院、现普林斯顿大学教授塞巴斯蒂安·桑(Sebastian Seung)提出,人的本质由1000亿个神经元的连接功能决定,因此绘制完整的神经元连接图谱是理解大脑的关键。 全球范围内,欧盟的人脑连接组计划(Human Brain Project,耗资12亿欧元,为期10年)和美国BRAIN Initiative(每年1-3亿美元,持续10年)都在推动这一目标。然而,仅小鼠大脑的成像数据就高达750 GB,而人脑数据量更是天文数字——若以纳米级分辨率成像,所需存储容量约为Google当前容量的十万倍。即便数据得以存储,自动分析也极为困难:电子显微镜图像中,神经元边界模糊,机器难以准确识别。 为解决这一瓶颈,桑教授于2012年在MIT创建了EyeWire——一个将严肃科学研究转化为3D迷宫游戏的平台,让普通公众也能参与神经科学探索。2014年桑教授转任普林斯顿后,EyeWire成为独立非营利项目,由艾米·罗宾逊(Amy Robinson)担任执行总监。玩家通过游戏方式,从三维显微图像数据集中分离并追踪单个神经元,辅助机器完成连接组绘制。 游戏机制:EyeWire将大脑切片电子显微镜图像叠加成三维立方体(Cube),每个Cube边长仅4.5微米,由250张横截面图构成。玩家需在二维横截面中识别并标记同一神经元的连续区域,如同在黑白照片中追踪“意大利面条”的轨迹。多个玩家的染色结果通过交叉验证排除错误,当三人一致时,结果提交专家审核。游戏提供5次引导训练和5次评分训练,逐步提升难度。 科学贡献:EyeWire已吸引来自150个国家超过20万玩家,涵盖从初中生到职业人士的广泛群体。游戏设计师玛丽莎·索雷克(Marissa Sorek)指出:“过去两位专家一周才能绘制一帧神经元活动,现在一天内即可完成。”2014年《自然》(Nature)期刊论文的附录中,用6页篇幅列出了所有贡献玩家的ID,彰显众包力量。目前,EyeWire主要绘制小鼠视网膜神经元(与人类高度相似),未来将扩展至嗅觉系统。 临床意义:在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中,神经元退化死亡,尸检显示显著病变。但自闭症、精神分裂症等精神疾病缺乏明确的病理学基础。桑教授假设,这些疾病可能源于神经元间的“错误连接”而非单个神经元损伤。EyeWire通过绘制精细连接图谱,有望揭示这些疾病的直接病因,并为人工智能算法提供训练数据,最终实现自动化分析。 参考文献:Seung, S. (2012). Connectome: How the Brain's Wiring Makes Us Who We Are. Houghton Mifflin Harcourt. (责任编辑:泉水) |