基于深度聚类的三维线虫细胞协同分割与识别研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61871411
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0124.生物电子学与生物信息处理
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

C.elegans as the gold standard of cell lineage tracing, the measurement of its single-cell resolution transcriptomes under spatiotemporal environments is an important strategy and channel for understanding cell fate and behavior. How to realize the high-throughput, high-precision segmentation and recognition/identification of densely distributed cells in three-dimensional microscopic images is the key enabling technology to support the above mentioned biological researches, and it is also a problem to be studied urgently.. In previous studies, we have demonstrated that the efficient collaboration of segmentation and recognition processes within the clustering framework is feasible and superior to the traditional sequential processing methods. However, the bottleneck that cell appearance features are difficult to be captured and utilized effectively in the co-processing process greatly limits its performance under dense cell distribution scenario. In this proposal, by taking the virtue of high discriminative feature learning ability of deep neural network, we intend to make further expansion and innovation on the basis of our previous studies. Firstly, under the deep neural network architecture, two pixel-clustering based collaborative optimization mechanisms, named joint-optimization and iterative-optimization, will be explored and compared. Secondly, the network architecture that can effectively capture cellular features will be studied with efficient 3D convolution realization as the basis. Thirdly, the multi-task cost function that takes full advantage of appearance, spatial features and corresponding prior knowledge will be designed. Our ultimate goal is to build an efficient, robust and accurate open source 3D C. elegans cell segmentation and recognition system. The research results of this proposal will further expand the theory of multi-task collaboration, and provide solid support for the single-cell resolution complex traits developmental research.
线虫作为细胞谱系追踪金标准,在时空环境下测量其单细胞精度转录组是理解细胞命运和行为的重要策略和渠道。如何在三维显微图像中实现密集分布细胞的高通量、高精度分割和识别是支撑上述生物学研究的关键使能技术,同时也是亟待研究的难题。.申请者前期研究已证实:聚类框架下分割和识别的高效协同是可行的且优于传统序列处理方法。然而,细胞外观特征在协同中难以有效捕获并利用,这一瓶颈极大限制了其在密集细胞分布时的性能。借助深度网络高鉴别力的特征学习能力,本申请拟在前期研究基础上进一步创新,探索深度网络架构下基于像素聚类的联合优化和迭代优化两种分割识别协同处理机制;以高效3D卷积实现为基础,研究有效获取细胞特征的多尺度网络架构;设计能充分利用外观空间特征及先验的多任务代价函数;实现高效、鲁棒、准确的三维线虫细胞协同分割识别系统并开源代码。该研究将进一步扩展多任务协同理论并为单细胞精度的复杂性状发育研究提供有力支撑。

结项摘要

实现高效、鲁棒、准确的三维线虫细胞协同分割识别是在时空环境下进行线虫单细胞精度转录组测量进而探索细胞命运和行为的重要途径。在本项目的支持下,我们实现了从3D线虫数据集构建、线虫细胞图谱制作到线虫全身细胞分割识别协同框架设计的完整过程,同时构造了3D卷积的高效实现结构,提升了3D深度神经网络的运行效率。在此基础上,我们还探索了图像配准与分割识别任务的潜在关联,实现了以高精度配准为手段的典型模式动物脑功能区域分割与识别。项目主要研究成果包括:(1)构建了由580幅3D线虫图像组成的线虫细胞分割识别数据库,制作了线虫细胞统计图谱和参考图谱,该图谱包含了细胞的外观、位置特征等多种先验信息,可为线虫细胞的分割、识别、功能解析等提供有力的数据支撑;(2)构建了面向密集线虫细胞的分割、识别深度网络结构,设计了基于像素聚类和距离向量场的线虫细胞分割模块,提出了基于统计结构匹配的细胞识别策略,实现了高效、鲁棒、准确的三维线虫细胞分割识别系统;(3)设计了一种3D密集分离卷积模块,有效提升了线虫细胞分割网络的训练和推理效率。(4)设计了面向小鼠全脑功能解析的跨模态配准流程,实现了高分辨、大尺度、多模态小鼠全脑三维图像配准系统,为配准、分割、识别协同优化系统研发储备了技术和理论基础。在实现上述具体研究目标的过程中,研究成果主要以论文、专利及开源软件等形式发表、公开在相关学术期刊、学术会议和开源网站上,在具有影响力的国际、国内期刊与会议上发表论文15篇(包括Nature、Nature Methods等国际顶级期刊),授权发明专利2项,项目成果同时为两项安徽省高校协同创新项目、一项科技部2030科技创新重大专项提供了技术支撑。综上,本项目较好地完成了计划研究任务,研究成果实现了预期目标。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(3)
专利数量(13)
Spectral-Spatial Exploration for Hyperspectral Image Classification via the Fusion of Fully Convolutional Networks
通过全卷积网络融合进行高光谱图像分类的光谱空间探索
  • DOI:
    10.1109/jstars.2020.2968179
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Zou Liang;Zhu Xingliang;Wu Changfeng;Liu Yong;Qu Lei
  • 通讯作者:
    Qu Lei
Progressive 3D biomedical image registration network based on deep self-calibration.
基于深度自校准的渐进式3D生物医学图像配准网络
  • DOI:
    10.3389/fninf.2022.932879
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    FRONTIERS IN NEUROINFORMATICS
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Sun, Rui;Wu, Jun;Miao, Yongchun;Ouyang, Lei;Qu, Lei
  • 通讯作者:
    Qu, Lei
Triple-Input-Unsupervised neural Networks for deformable image registration
用于可变形图像配准的三输入无监督神经网络
  • DOI:
    10.1016/j.patrec.2021.08.032
  • 发表时间:
    2021-09-23
  • 期刊:
    PATTERN RECOGNITION LETTERS
  • 影响因子:
    5.1
  • 作者:
    Qu, Lei;Wan, Wan;Wu, Jun
  • 通讯作者:
    Wu, Jun
Morphological diversity of single neurons in molecularly defined cell types.
分子定义的细胞类型中单个神经元的形态多样性
  • DOI:
    10.1038/s41586-021-03941-1
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    Nature
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Peng H;Xie P;Liu L;Kuang X;Wang Y;Qu L;Gong H;Jiang S;Li A;Ruan Z;Ding L;Yao Z;Chen C;Chen M;Daigle TL;Dalley R;Ding Z;Duan Y;Feiner A;He P;Hill C;Hirokawa KE;Hong G;Huang L;Kebede S;Kuo HC;Larsen R;Lesnar P;Li L;Li Q;Li X;Li Y;Li Y;Liu A;Lu D;Mok S;Ng L;Nguyen TN;Ouyang Q;Pan J;Shen E;Song Y;Sunkin SM;Tasic B;Veldman MB;Wakeman W;Wan W;Wang P;Wang Q;Wang T;Wang Y;Xiong F;Xiong W;Xu W;Ye M;Yin L;Yu Y;Yuan J;Yuan J;Yun Z;Zeng S;Zhang S;Zhao S;Zhao Z;Zhou Z;Huang ZJ;Esposito L;Hawrylycz MJ;Sorensen SA;Yang XW;Zheng Y;Gu Z;Xie W;Koch C;Luo Q;Harris JA;Wang Y;Zeng H
  • 通讯作者:
    Zeng H
Real-time visual tracking with ELM augmented adaptive correlation filter
使用 ELM 增强型自适应相关滤波器进行实时视觉跟踪
  • DOI:
    10.1016/j.patrec.2018.09.015
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Pattern Recognition Letters
  • 影响因子:
    5.1
  • 作者:
    Qu Lei;Liu Kuixiang;Yao Baochen;Tang Jun;Zhang Wei
  • 通讯作者:
    Zhang Wei

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    屈磊

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屈磊的其他基金

面向脑图谱构建的跨模态三维显微图像协同配准与分割研究
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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