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    MIT+IBM同时利用AI探索神经科学,让脑科学研究如虎添翼

    作者:时间:2019-07-10来源:?#23884;?#35199;收藏
    编者按:近期,麻省理工学院(MIT)和IBM的研究人员分别发表了两项研究成果,用AI来辅助人们在临床医学和神经科学领域的研究和发展,也进一步帮助人们加速对人类大脑的理解。

    最近,有两项分别来自麻省理工学院和的研究,利用人工智能帮助人们进行神经科学领域的研究,进一步帮助人们加速对人类大脑的理解。

    本文引用地址:http://www.9113521.com/article/201907/402503.htm

    一方面,麻省理工学院的研究人员正在训练机器学习模型,研究从单个分割的大脑扫描图像和未标记的扫描图像中,分割大脑解?#24335;?#26500;,从而使用人工智能实现神经科学图像分割的自动化。

    另一方面,的研究人员创建了一个基于云端的神经科学模型,用于研究神经退行性疾病(由大?#38498;图?#39635;的神经元或髓鞘的丧失所致,并随着时间推移而恶化,导致出现功能?#20064;?#24182;使用模拟生物进化的算法来解决复杂问题。

    一、卷积神经网络为卡?#21078;?#26102;提供信息

    在前段时间举行的模式识别与计算机视觉大会(Conference on Computer Vision and Pattern Recognition)上,来自麻省理工学院的一组研究人员提出了一种创新的人工智能系统。

    该系统可以学?#25353;?#21333;个分段脑扫描图像和未标记的扫描图像中,分割解剖脑结构,实现自动化神经科学图像分割。

    这种用于神经科学的新型人工智能系统,是基于一款发行于1993年的著名集换式卡牌游戏(Collectible card game)《万智牌(Magic:The Gathering)》而研发。

    Amy Zhao是麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS),以及计算机科学与人工智能实验室(CSL)的研究生,同时也是该项研究的第一作者。

    最初,她尝试使用一个由卷积神经网络(CNN)技术创建的应用程序,根据智能手机拍摄的照片,实时为《万智牌?#20998;?#30340;纸牌提供卡牌的类别、属?#38498;?#26045;放费用等详细信息。

    这项技术的挑战在于,计算机视觉任务需要一组照片数据集,该数据集不仅包含20,000张游戏卡牌,而?#19968;?#21253;含?#31354;?#21345;牌的不同拍摄外观和拍摄属性(如照明)的?#35745;?#29256;本。

    但是,手动创建这样的一个数据集需要花费大量的?#23548;?#21644;精力,因此Amy开始通过合成数据集中所有卡牌的变形版本,来自动创建数据集。

    卷积神经网络是一种深度学习算法,具有人工神经网络结构,该算法受生物大脑视觉皮层的启发,用一小部分数据进行训练。

    Amy使用200张卡牌,?#31354;?#21345;牌分别搭配10张照片,让卷积神经网络经过训练,学习如?#38395;?#26029;卡牌的所处的不同位置和照片外观,如亮度、反射和照片?#23884;齲?#20174;而能够合成数据集内所有卡牌的真实变形版本组。

    二、卷积神经网络分析脑图像的过程

    Amy发现,这种变形的方法可以应用于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,简称MRI)中。磁共振成像?#23884;?#23618;成像的一种,能够利用磁共振现象从人体中获得电磁信号,并重建出人体信息。

    人工智能深度学习的模式识别功能是机器学习的一个子集,它帮助神经科学家对脑图像进行复杂的分析。然而,训练该机器学习算法是一个昂贵的、劳动密集型的挑战。

    一方面,对于神经科学研究,训练机器学习通常需要神经科学家在每一次的脑部扫描中,手动对解?#24335;?#26500;进行数据标记。

    另一方面,图像分割是基于共享特征对图像像素进行标记的过程,而磁共振成像的图像又是一个以三维像素形式呈现的体素。

    因此,神经科学的研究人员经常需要根据大脑的解?#24335;?#26500;,对体素区域进行分离和标记,手工进行图像分割。

    Amy与麻省理工学院博士后助理Guha Balakrishnan、Frédo Durand教授、John V. Guttag教授,以及资深作家Adrian V. Dalca,使用单一标记的分段脑MRI扫描和一组100个未标记的病人扫描,完成了自动化神经科学图像分割过程。

    在研究过?#35752;校?#30740;究人员使用了两个卷积神经网络。

    首先,卷积神经网络从100个未标记的扫描中学习亮度、?#21592;?#24230;、噪声和空间变换流场(指运动流体所占的空间区域里的速度、压强等因素)的变化,这些变化模拟了扫描之间的体素运动。

    其次,为了合成新的标记扫描,系?#25104;?#25104;一个随机的流场,并将这个随机的流场应用于标记的MRI扫描,?#20113;?#37197;未标记扫描数据集中?#23548;?#24739;者的MRI。然后,系统将所学习到的亮度、?#21592;?#24230;和噪声变化进行随机组合。

    最后,系统根据提速运动的流场,将标签标记到合成扫描的图像中。这些合成的扫描图像将被输入到一个单独的卷积神经网络,?#21592;?#35757;练该卷积神经网络学习如何分割新的图像。

    三、该框架可合成逼真多样的标记实例

    此外,研究小组对30种大脑结构的图像分割系统进行了100次扫描,并将其与现有的自动和手动分割方法进行了比较。结果表明,该方法与现有的图像分割方法相比有了显著改进,特别是在海马体等较小的大脑结构方面。

    研究人员在论文中表示,在他们的测试集中,分割器在每个例子上都比现有的单次分割方法做得更好,接近完全监督模型的性能(之前大多?#21069;?#30417;督的)。该机器学习框架可在多个医学领域应用,比如临床设置,在临床设置中由于时间限制,通常只允许手工注释少量扫描。

    对此,麻省理工学院的研究人员表明,通过机器学?#25353;?#26410;标记的大脑扫描图像中,独立的空间和外观转换模型,可?#38498;?#25104;逼真多样的标记实例。

    另外,系?#25104;?#25104;的合成示例可以用来训练性能等于甚至优于当前图像分割方法的分割模型,这也是为什么《万智牌》能催生一种可训练人工智能深度学习算法的新方法。



    关键词: MIT IBM AI 脑科学研究

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