RI: Small: Large-Scale Machine Learning for Connectomics

RI:小型:连接组学的大规模机器学习

基本信息

  • 批准号:
    1118055
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2011
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2011-09-01 至 2015-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Large-scale image data analysis has in recent years become a key bottleneck in natural science research, particularly in the field of neuroscience. Technological advances in automated data acquisition have enabled the collection of terabyte and petabyte-size datasets. Extracting the rich information contained in these datasets manually would require an inordinate amount of human labor; reconstructing the neural connectivity in a complete fruitfly brain or cortical column of a mouse from electron microscopy data, key tasks of interest, would require ten thousand years of human labor using current state-of-the-art manual and semi-automated approaches. Improved automated image analysis tools are likely to be directly useful to the neuroscience community, enabling large-scale dense reconstruction of neural circuits from microscopy data, in which the morphology of every neuronal process is traced and all chemical synaptic connections between cells are identified, thereby mapping the complete "wiring diagram" of the circuit contained in the neural tissue. Such reconstructions have the potential to fundamentally impact the understanding of neural circuits by enabling competing models of brain architecture to finally be rigorously verified or falsified experimentally.The large size of the datasets, the need for high accuracy to avoid incorrect scientific conclusions being drawn about the data, and the need for well-calibrated confidence measures in order to limit the time that must be spent manually verifying the output of algorithms, are all substantial challenges not well-addressed by existing segmentation methods. The investigators propose to (i) Develop efficient algorithms for convolutional locality-sensitive hashing, a novel generalization of locality-sensitive hashing techniques to the highly applicable setting of dense overlapping patches from a larger data volume. (ii) Develop efficient algorithms for the overlapping patch and convolutional variants of sparse coding designed to scale to very large datasets, filter sizes and numbers of filters. The proposed convolutional locality-sensitive hashing approach will be employed to enable this. (iii) Develop algorithms that leverage (i) and (ii) to segment electron microscopy data, and compare empirically to existing segmentation methods. All of the proposed methods are highly scalable to executions on large compute clusters in order to handle large training and test datasets. Furthermore, since the proposed methods allow explicit representation of the data, they are expected to be better calibrated than parametric methods such as the existing neural network-based methods for segmentation of electron microscopy data that currently achieve the best accuracy.
近年来,大规模图像数据分析已成为自然科学研究尤其是神经科学领域的关键瓶颈。自动化数据采集方面的技术进步使得能够收集TB和PB大小的数据集。 手动提取这些数据集中包含的丰富信息将需要大量的人力;从电子显微镜数据中重建完整的果蝇大脑或小鼠皮质柱中的神经连接,关键任务感兴趣,将需要一万年的人力使用当前最先进的手动和半自动方法。改进的自动化图像分析工具可能对神经科学界直接有用,能够从显微镜数据中大规模密集重建神经回路,其中跟踪每个神经元过程的形态,并识别细胞之间的所有化学突触连接,从而绘制神经组织中包含的回路的完整“布线图”。这种重建有可能从根本上影响对神经回路的理解,因为它使大脑结构的竞争模型最终得到严格的实验验证或证伪。数据集的规模很大,需要高精度以避免对数据得出错误的科学结论,以及需要良好校准的置信度测量以限制必须花费在手动验证算法输出上的时间,都是现有分割方法没有很好解决的实质性挑战。 研究人员建议(i)开发卷积局部敏感哈希的有效算法,这是局部敏感哈希技术的一种新的推广,适用于更大数据量中密集重叠补丁的高度适用设置。(ii)为稀疏编码的重叠补丁和卷积变体开发高效算法,旨在扩展到非常大的数据集,过滤器大小和过滤器数量。将采用所提出的卷积局部敏感散列方法来实现这一点。(iii)开发利用(i)和(ii)分割电子显微镜数据的算法,并根据经验与现有的分割方法进行比较。所有提出的方法都具有高度的可扩展性,可以在大型计算集群上执行,以处理大型训练和测试数据集。此外,由于所提出的方法允许明确表示的数据,他们预计将更好地校准比参数的方法,如现有的基于神经网络的电子显微镜数据的分割方法,目前达到最佳的准确性。

项目成果

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