Neuron segmentation using 3D wavelet integrated encoder–decoder network

分割 计算机科学 神经元 人工智能 生物神经元模型 编码器 追踪 小波 连接组学 模式识别(心理学) 计算机视觉 人工神经网络 神经科学 连接体 功能连接 生物 操作系统
作者
Qiufu Li,Linlin Shen
出处
期刊:Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:38 (3): 809-817 被引量:12
标识
DOI:10.1093/bioinformatics/btab716
摘要

3D neuron segmentation is a key step for the neuron digital reconstruction, which is essential for exploring brain circuits and understanding brain functions. However, the fine line-shaped nerve fibers of neuron could spread in a large region, which brings great computational cost to the neuron segmentation. Meanwhile, the strong noises and disconnected nerve fibers bring great challenges to the task.In this article, we propose a 3D wavelet and deep learning-based 3D neuron segmentation method. The neuronal image is first partitioned into neuronal cubes to simplify the segmentation task. Then, we design 3D WaveUNet, the first 3D wavelet integrated encoder-decoder network, to segment the nerve fibers in the cubes; the wavelets could assist the deep networks in suppressing data noises and connecting the broken fibers. We also produce a Neuronal Cube Dataset (NeuCuDa) using the biggest available annotated neuronal image dataset, BigNeuron, to train 3D WaveUNet. Finally, the nerve fibers segmented in cubes are assembled to generate the complete neuron, which is digitally reconstructed using an available automatic tracing algorithm. The experimental results show that our neuron segmentation method could completely extract the target neuron in noisy neuronal images. The integrated 3D wavelets can efficiently improve the performance of 3D neuron segmentation and reconstruction.The data and codes for this work are available at https://github.com/LiQiufu/3D-WaveUNet.Supplementary data are available at Bioinformatics online.

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