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万花筒:使用自动颜色分配对单神经元图像进行大脑数据可视化。

Kaleido: Visualizing Big Brain Data with Automatic Color Assignment for Single-Neuron Images.

机构信息

Institute of Biotechnology and Department of Life Science, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan.

National Center for High-performance Computing, Hsinchu, 30076, Taiwan.

出版信息

Neuroinformatics. 2018 Apr;16(2):207-215. doi: 10.1007/s12021-018-9363-3.

DOI:10.1007/s12021-018-9363-3
PMID:29502301
Abstract

Effective 3D visualization is essential for connectomics analysis, where the number of neural images easily reaches over tens of thousands. A formidable challenge is to simultaneously visualize a large number of distinguishable single-neuron images, with reasonable processing time and memory for file management and 3D rendering. In the present study, we proposed an algorithm named "Kaleido" that can visualize up to at least ten thousand single neurons from the Drosophila brain using only a fraction of the memory traditionally required, without increasing computing time. Adding more brain neurons increases memory only nominally. Importantly, Kaleido maximizes color contrast between neighboring neurons so that individual neurons can be easily distinguished. Colors can also be assigned to neurons based on biological relevance, such as gene expression, neurotransmitters, and/or development history. For cross-lab examination, the identity of every neuron is retrievable from the displayed image. To demonstrate the effectiveness and tractability of the method, we applied Kaleido to visualize the 10,000 Drosophila brain neurons obtained from the FlyCircuit database ( http://www.flycircuit.tw/modules.php?name=kaleido ). Thus, Kaleido visualization requires only sensible computer memory for manual examination of big connectomics data.

摘要

有效的 3D 可视化对于连接组学分析至关重要,其中神经图像的数量很容易超过数万张。一个艰巨的挑战是同时可视化大量可区分的单个神经元图像,同时具有合理的处理时间和文件管理以及 3D 渲染的内存。在本研究中,我们提出了一种名为“万花筒”的算法,该算法可以使用传统所需内存的一小部分可视化至少一万个来自果蝇大脑的单个神经元,而不会增加计算时间。添加更多的大脑神经元仅会适度增加内存。重要的是,万花筒最大限度地增加了相邻神经元之间的颜色对比度,以便可以轻松区分单个神经元。也可以根据生物学相关性(例如基因表达,神经递质和/或发育历史)为神经元分配颜色。对于跨实验室检查,可以从显示的图像中检索每个神经元的身份。为了证明该方法的有效性和可扩展性,我们将万花筒应用于可视化从 FlyCircuit 数据库(http://www.flycircuit.tw/modules.php?name=kaleido)获得的 10000 个果蝇大脑神经元。因此,万花筒可视化仅需要合理的计算机内存即可手动检查大型连接组学数据。

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