神经元的形态分类和识别
(研究生数学建模竞赛2010年C题)
大脑是生物体内结构和功能最复杂的组织, 其中包含上千亿个神经细胞(神经元)。人类脑计划(Human Brain Project, HBP)的目的是要对全世界的神经信息学数据库建立共同的标准, 多学科整合分析大量数据, 加速人类对脑的认识。
作为大脑构造的基本单位, 神经元的结构和功能包含很多因素,其中神经元的几何形态特征和电学物理特性是两个重要方面。其中电学特性包含神经元不同的电位发放模式；几何形态特征主要包括神经元的空间构象, 具体包含接受信息的树突, 处理信息的胞体和传出信息的轴突三部分结构。由于树突, 轴突的的生长变化, 神经元的几何形态千变万化。电学特性和空间形态等多个因素一起, 综合表达神经元的信息传递功能。
图1
(1b) 关键位置: D, 树突; S, 胞体; AH, 轴突的开始阶段轴丘; A,轴突; T,轴突末端. 树突的类型: e, 单个树突的等价圆柱体; a, 树突顶端; b, 树突基端; o, 树突倾斜. 树突的水平: (p)最近端, (m) 中间端, 和 (d) 最远端-相对细胞胞体.
(1c)神经元局部形态的简单几何特征：D树干直径, T顶端直径, L树干长度, △A树干锥度, R分支比例(前后分支的长度关系), ν分支幂律(前后分支的直径关系), α分支角度.
对神经元特性的认识, 最基本问题是神经元的分类。目前, 关于神经元的简单分类法主要有：(1)根据突起的多少可将神经元分为多极神经元；双极神经元和单极神经元。(2)根据神经元的功能又可分为主神经元, 感觉神经元, 运动神经元和中间神经元等。主神经元的主要功能是输出神经回路的信息。例如大脑皮层的锥体神经元, 小脑皮层中的普肯野神经元等。感觉神经元, 它们接受刺激并将之转变为神经冲动。中间神经元, 是介于感觉神经元与运动神经元之间起联络作用的。运动神经元, 它们将中枢发出的冲动传导到肌肉等活动器官。不同组织位置, 中间神经元的类别和形态, 变化很大。动物越进化, 中间神经元越多, 构成的中枢神经系统的网络越复杂。
如何识别区分不同类别的神经元, 这个问题目前科学上仍没有解决。生物解剖区别神经元主要通过几何形态和电位发放两个因素。神经元的几何形态主要通过染色技术得到, 电位发放通过微电极穿刺胞内记录得到。利用神经元的电位发放模式区分神经元的类别比较复杂, 主要涉及神经元的Hodgkin-Huxley模型和Rall 电缆模型的离散形式(神经元的房室模型)。本问题只考虑神经元的几何形态, 研究如何利用神经元的空间几何特征, 通过数学建模给出神经元的一个空间形态分类方法, 将神经元根据几何形态比较准确地分类识别。
神经元的空间几何形态的研究是人类脑计划中一个重要项目, NeuroMorpho.Org包含大量神经元的几何形态数据等,现在仍然在不断增加, 在那里你们可以得到大量的神经元空间形态数据, 例如附录A和附录C。对于神经元几何形态的特征研究这个热点问题, 不同专家侧重用不同的指标去刻画神经元的形态特征, 例如图1、下面给出的神经元的粗略空间刻画以及附录A和附录C用标准的 A.SWC 格式给出的刻画。你们需要完成的任务是：
(1) 利用附录A中和附录C样本神经元的空间几何数据, 寻找出附录C中5类神经元的几何特征(中间神经元可以又细分3类), 给出一个神经元空间形态分类的方法。
(2) 附录B另外有20个神经元形态数据, 能否判定它们属于什么类型的神经元。在给出的数据中, 是否有必要引入或定义新的神经元名称。
(3) 神经元的形态复杂多样, 神经元的识别分类问题至今仍没有解决, 你们是否可以提出一个神经元分类方法, 将所有神经元按几何特征分类。你们能否给生物学家为神经元的命名提出建议(附录A和附录C的神经元是比较重要的类别, 实际应该有很多其他类别)。
(4) 按照你们的神经元形态分类方法, 能否确定在不同动物神经系统中同一类神经元的形态特征有区别吗？例如, 附件A中有猪的普肯野神经元和鼠的普肯野神经元, 它们的特征有区别吗？
(5) 神经元的实际形态是随着时间的流逝, 树突和轴突不断地生长而发生变化的, 你们能预测神经元形态的生长变化吗？这些形态变化对你们确定的几何形态特征有什么影响。
参考1, 神经元数据来源：http://neuromorpho.org/neuroMorpho/index.jsp
参考2, 神经元数据来源: http://senselab.med.yale.edu/NeuronDB/ndbRegions.asp?sr=1
参考3, 神经元数据来源: http://krasnow.gmu.edu/L-Neuron/L-Neuron/database/index.html#Scorcioni
参考4, 神经元数据来源: http://www.compneuro.org/CDROM/nmorph/index/topindex_tn.html
注1, 本题只考虑神经元形态特征, 例如神经元的胞体表面积, 干的数目, 分叉数目, 分支数目,宽度, 高度, 深度,直径,长度,表面积,体积、树干锥度、分支幂律、分支角度或者其他形态参数, 几何刻画神经元空间形态特征.
注2, 附录文件格式的描述, 三维神经元的数据是标准的 A.SWC 格式。一个神经元根据形态空间结构可以离散为很多房室, 这些房室用A.SWC 格式文件描述。A. SWC 的格式中, 每行包含有神经元一个房室的7个标准数据点:
(1)一个房室的标号
(2)房室的类型 (例如 0- 待定, 1- 胞体, 2- 轴突, 3- 树突, 4- 尖端树突等)
(3)房室的$x$坐标
(4)房室的$y$坐标
(5)房室的$z$坐标
(6)房室的半径
(7)与该房室连接的母房室标号