Aprendizaje profundo para segmentar espinas dendríticas

Abstract

[spa] El estudio del cerebro es necesariamente un área multidisciplinar que requiere tanto de expertos en biología, farmacología o bioquímica como de expertos en el tratamiento, análisis y procesamiento de imágenes. Actualmente, los neurocientíficos de diferentes instituciones buscan el apoyo de la tecnología para automatizar ciertos procesos, como puede ser el reconocimiento de algunos elementos en imágenes cerebrales. También utilizan nuevas técnicas para la búsqueda de patrones que no pueden ser detectados a simple vista. Así, el objeto del presente proyecto es el de analizar las imágenes tomadas del córtex cerebral para, mediante técnicas de aprendizaje profundo, poder reconocer y detectar unos elementos presentes en las neuronas cerebrales conocidos como espinas dendríticas. La finalidad última del proyecto consiste en que una vez entrenada la red artificial profunda, ésta sea capaz de distinguir en las imágenes de microscopía del cerebro entre regiones que contengan alguna espina y regiones que no. Esta tarea, puede resultar de utilidad para neurocientíficos que actualmente se encuentran estudiando la relación de estas dendritas neuronales con deficiencias en las capacidades cognitivas e intelectuales del propio individuo. A día de hoy, se conoce que precisamente estas dendritas son, en gran medida, las responsables de la generación y propagación de los impulsos eléctricos entre neuronas.

[cat] L’estudi del cervell és necessàriament un camp multidisciplinari que requereix tant d’experts en biologia, farmacologia o bioquímica com d’experts en el tractament, anàlisi i processament d’imatges. Actualment, els neurocientífics de diferents institucions cerquen el recolzament de la tecnologia per poder automatitzar processos com pot ser el reconeixement d’alguns elements a imatges cerebrals. També utilitzen noves tècniques per a la recerca de patrons que no puguin ser detectats a simple vista. Així, l’objectiu del present projecte és el d’analitzar les imatges preses del còrtex cerebral per, mitjançant tècniques d’aprenentatge profund, poder reconèixer i detectar uns elements presents a les neurones cerebrals coneguts com a espines dendrítiques. La finalitat última del projecte consisteix en que un vegada entrenada la xarxa artificial profunda, aquesta sigui capaç de distingir en les imatges de microscòpia del cervell entre regions que contenguin alguna espina i regions que no. Aquesta tasca, pot resultat d’utilitat per neurocientífics que actualment es troben estudiant la relació d’aquestes dendrites neuronals amb deficiències en les capacitats cognitives i intel·lectuals del propi individu. A dia d’avui, se coneix que precisament aquestes dendrites són, en gran mesura, les responsables de la generació i propagació d’impulsos elèctrics entre neurones.

[eng] The study of the brain is essentially a multidisciplinary field which requires from biology, pharmacology or biochemistry experts as well as from data analysts or image processing experts. Currently, neuroscientists from different institutions are automating processes like the recognition of certain objects from an image. They are also using new techniques to detect patterns that cannot be detected at first sight. Thus, the purpose of this project is to analyze cortex images with Deep learning techniques to be able to recognize some elements called dendritic spines. The main goal of this project is to be able to distinguish whether we have spine or not in a specific region of the brain once the deep neural network is trained. This task, can be helpful to neuroscientists who are studying the relationship between spines and cognitive abilities or intellectual dysfunction in humans. We already know that these elements are vital in neuron communication and have a strong impact on electric pulses propagation.