微观重建与智能分析团队

团队概况：

       微观重建与智能分析团队于2015年8月1日成立，隶属于中科院自动化所类脑智能研究中心；团队包括脑微观重建与分析研究组、显微分析技术中心和超高速电镜成像与智能分析联合实验室。目前团队有固定研究人员11人，含正高职称1人，副高职称3人，中级职称4人，初级职称3人。另外，还有12名研究生和多名实习学生。

目前团队独立及合作发表（含录用）学术论文27篇（ISBI、SPIE、CellRes、TNNLS、JSB等），授权国内发明专利8项，受理发明专利9项（包含1项PCT专利），.软件著作权15项。

团队承担的主要科研项目包括：中国科学院战略性先导科技专项B类课题、中国科学院装备研制项目、中国科学院国际大合作计划培育项目、北京市脑专项课题、国家自然科学基金等多项重大科研项目。

研究内容：

       自成立以来，团队致力于突触水平神经网络重建和分析平台的研发，从样品制备、自动切片、显微成像、图像合成及三维重建等关键技术攻关，提升数据获取和标注分析效率，将成像系统与上游的样品制备系统和下游的数据分析系统集成，建立高通量、自动化的脑微观结构规模化重建平台，为国家脑科学和类脑智能研究提供突触水平神经结构重建所需的技术服务、解决方案和共享平台。

突触水平神经大数据重建与分析平台

       脑联结组图谱是脑科学的战略制高点，通过构建神经系统结构和生理功能的一致性来理解脑的工作原理，为开发脑和模拟脑做坚实 的奠基。其中微观尺度上的突触水平脑联结组，在探索神经联结和运作原则的完整性和深度方面是其他研究手段难以触及的，对于 类脑计算和芯片设计具有重要价值。中国科学院自动化研究所开展了突触水平神经大数据重建和分析平台的研发，突破限制重建通 量的自动分析技术瓶颈，提升数据获取和标注分析效率，建立标准化工程流程和智能化分析系统,致力于为国家脑科学和类脑智能研 究提供突触水平神经结构重建所需的技术服务、解决方案和共享平台。

1、生物切片序列高通量扫描电镜三维影像系统

      传统扫描电镜存在着扫描效率低、序列配准难的问题，纳米分辨率的高速电镜三维系统是在有限时间内获取海 量数据的关键。中科院自动化所微观重建与智能分析团队提出了高通量扫描电镜三维影像系统解决方案，与聚 束科技（北京）有限公司联合研制适用于生物序列切片的定制化系统。通过电镜探测器优化设计、序列成像稳 定控制和实时在线配准系统，突破序列切片显微三维成像效率的瓶颈。该系统的成像速率较传统电镜提高了 1~2个数量级，单台成像数据最高可达2TB/天，技术指标可与国际先进系统进行对标比较。由中国工程院形成 《关于支持用户定制化扫描电镜生产和应用的建议》，报送中共中央办公厅、国务院办公厅。

2、生物切片序列微观尺度三维配准系统

      在微观尺度上获得生物组织的三维影像数据，需要对电镜采集的生物组织序列切片图像进行配准，序列切片 电镜图像配准是保证神经结构识别正确性的基础。由于30～50纳米厚度的生物组织超薄切片在制样过程中会 产生各种非线性形变，同时相邻切片间的形貌变化导致切片间无明确的对应点。中科院自动化所微观重建与 智能分析团队开发了生物组织序列切片微观尺度三维配准系统，成功完成国内首套果蝇蘑菇体竖直叶，小鼠 皮层、斑马鱼头部和线虫的微观结构三维影像数据。

3、突触水平神经结构快速三维重构系统

      神经元自动识别效率是限制神经微观重建向更大范围更大体量拓展的瓶颈所在，包括突触、树突棘、 线粒体、细胞膜等。中科院自动化所微观重建与智能分析团队依据神经元细胞的形态特征，设计了 多种深度神经网络进行神经元自动检测算法，研发了一套从海量光学到电镜图像数据中快速检测定 位突触、线粒体和神经元的算法集，有效解决了自动检测和形态重建的困难，大幅降低了重建工程 的时间消耗，研发的算法模型在相关领域国际竞赛中名列前茅。

4、超大规模快速计算软件平台

      中科院自动化所微观重建与智能分析团队开发 的超大规模快速计算支撑平台集分布式处理系 统、启发式重建策略以及工程化作业流程于一 体，以高效的自动化重建算法为基础，着力解 决各种计算资源以及人力资源的合理分配与高 效利用等问题，使得重建过程中人工劳动获得 极大解放，突破了重建工作的主体时间消耗瓶 颈，在具备PB级数据快速标注和分析能力的同 时，相比目前纯手工标注的重建方式效率提升 约百倍，重建速度可达20~40秒/立方微米。