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又酷又好玩的神經網路3D模型建構計畫:EyeWire

文 / 吳子青 (美國普渡大學農業與生物工程系博士生)

還記得從1990年開始,有一項代號SETI的計畫希望大家能加入搜索及分析外星生命訊號的活動,你只要安裝一套螢幕保護程式,它就會在你閒暇不使用電腦時,提供電腦計算資源、幫助分析資料。2007年,天文學家邀請了全球數十萬網民加入,尋找在宇宙中是否存在另一個適合人類居住星球的行星獵人(Planet Hunter)計畫,亦藉由群眾的力量分析NASA克卜勒計畫傳回的龐大數據。從那時開始,許多需要耗費大量計算資源或需藉著人類進行辨識或判斷的科學難題,一一藉著「citizen-science (公民科學)」,或稱為「volunteer computing」的方式有了突破性的進展;如解決複雜蛋白質3D結構的FoldIt、辨識植物病原的Clumpy、分析外星生命訊號Galaxy Zoo、幫助分辨Cancer樣本的Cell Slider等等。

EyeWire 是我參與過最炫的公民科學計劃。這項由MIT的計算神經科學實驗室(Computational Neuroscience Lab) 發展的研究計畫,讓每個人都能參與視網膜全神經連結網 3D 圖譜手動建構的工作,將視網膜上的完整樹突細緻三維圖像建構出來。至於為何要採用公民科學的方式進行這樣計畫呢?這項計畫的主導人 Sebastian Seung 教授敘述他們面對的挑戰:如何從電子顯微鏡的剖面照片去重建錯綜複雜的3D神經網路模型,以目前的電腦圖像辨識技術仍然有其限制,而藉助人類強大的圖像辨識(Pattern Recognition)能力,搭配上人工智慧協助,反而大大提升了準確率及效率。值得一提的是,MIT的Sebastian Seung 教授也是精彩的TED演講「I am my connectome」的主講人,而這項計畫也是建構Connectome(大腦聯結圖譜) 的一部份。

要如何進行呢?其實並不需要知道甚麼是Connectome、Neurons、或任何神經科學相關的專業知識,只要用滑鼠點擊圖像著色就好了。藉由人工智慧的幫助,就能將完整樹突細緻三維圖像建構出來;EyeWire並提供相當出色的導覽教學系統,讓人很容易上手。以下大概介紹一下進行流程:

圖一

進行方式:
進入EyeWire網頁 (https://eyewire.org/),在畫面(圖一)中間的是目前所完成的 3D神經網路模型,可以用滑鼠轉動及拉近拉遠觀察。右上角是你所註冊的使用者帳號,右下角是使用者排名。左上角是目前所進行的神經細胞,如SCA#1及其描述。你可以使用change cell選擇 不同的神經細胞(圖二),其中包括目前大家正在解決的神經細胞及完成進度。

圖二

按下Start Playing(圖三),右邊出現的是一系列細胞組織水平切面圖,按上下鍵就能檢視上一或下一層。左手邊是3D圖像,你只要將水平切片圖像中你認為是同一個細胞的按滑鼠左鍵著色,左邊就會顯示你所建立的3D神經細胞樹圖,訣竅就是比對上下張切片圖,幫助判斷那個區域是同一個神經細胞。你所完成的一塊區域或稱為Cube,是整個神經細胞的一小部分。

圖三

每個Cube代表神經細胞的一小塊,就像圖四所描述。每個神經細胞大概被切割成約1千多個Cube區域,而每個Cube由約250張電子顯微鏡剖面照片組成。視網膜的神經網路系統龐大無比,可見所需要的人力需求,不過EyeWire在一天之內就解開了J cell的完整樹突細緻三維圖像,可見得藉由citizen-science的幫忙,能解決很多電腦無法處理的問題。

圖四

建立視網膜的神經樹突三維圖像是一項浩大的工程,但這並不足以讓我們建立神經連結體connectomes模型。所以Sebastian Seung 教授提到計畫的下一步是鑑定突觸(synapses)的位置,也將會有另一個citizen-science game來獲得網民支援。建立了神經網路的連結之後,將幫助我們瞭解神經系統的訊號傳遞,並建立傳遞訊號的規則。這項研究的成果也將提供類似尺度的神經系統研究及其後續。

「科學太重要了,所以不能只交給科學家」(science is too important to be left to scientists alone),就像公民網際科學中心(Citizen Cyberscience Centre)的Francois Grey教授所說的,有許多重要的科學研究其實都藉由公民科學的方式有了突破性的進展,而且也藉此讓一般民眾也能親身參與科學研究,拉近了彼此間的距離,對科學有所貢獻。

目前其實已經有數千個公民科學計畫正在進行著,在Scistarter網站蒐集了分門別類各個領域正在進行的公民科學計劃。無論你是想試試看挑戰建立3D 視網膜神經網路,或加入探索外星生命的行列,就讓自己在人類的科學進展中留下你的足跡吧。

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。