A Computational Framework for Ultrastructural Mapping of Neural Circuitry

Circuitry mapping of metazoan neural systems is difficult because canonical neural regions (regions containing one or more copies of all components) are large, regional borders are uncertain, neuronal diversity is high, and potential network topologies so numerous that only anatomical ground truth can resolve them. Complete mapping of a specific network requires synaptic resolution, canonical region coverage, and robust neuronal classification. Though transmission electron microscopy (TEM) remains the optimal tool for network mapping, the process of building large serial section TEM (ssTEM) image volumes is rendered difficult by the need to precisely mosaic distorted image tiles and register distorted mosaics. Moreover, most molecular neuronal class markers are poorly compatible with optimal TEM imaging. Our objective was to build a complete framework for ultrastructural circuitry mapping. This framework combines strong TEM-compliant small molecule profiling with automated image tile mosaicking, automated slice-to-slice image registration, and gigabyte-scale image browsing for volume annotation. Specifically we show how ultrathin molecular profiling datasets and their resultant classification maps can be embedded into ssTEM datasets and how scripted acquisition tools (SerialEM), mosaicking and registration (ir-tools), and large slice viewers (MosaicBuilder, Viking) can be used to manage terabyte-scale volumes. These methods enable large-scale connectivity analyses of new and legacy data. In well-posed tasks (e.g., complete network mapping in retina), terabyte-scale image volumes that previously would require decades of assembly can now be completed in months. Perhaps more importantly, the fusion of molecular profiling, image acquisition by SerialEM, ir-tools volume assembly, and data viewers/annotators also allow ssTEM to be used as a prospective tool for discovery in nonneural systems and a practical screening methodology for neurogenetics. Finally, this framework provides a mechanism for parallelization of ssTEM imaging, volume assembly, and data analysis across an international user base, enhancing the productivity of a large cohort of electron microscopists

Review on retrospective procedures to correct retinal motion artefacts in OCT imaging

Motion artefacts from involuntary changes in eye fixation remain a major imaging issue in optical coherence tomography (OCT). This paper reviews the state-of-the-art of retrospective procedures to correct retinal motion and axial eye motion artefacts in OCT imaging. Following an overview of motion induced artefacts and correction strategies, a chronological survey of retrospective approaches since the introduction of OCT until the current days is presented. Pre-processing, registration, and validation techniques are described. The review finishes by discussing the limitations of the current techniques and the challenges to be tackled in future developments

Desarrollo de arquitecturas para procesamiento de control de la mirada en sistemas de visión activa con resolución espacial variable

En esta tesis se aborda la implementación de un sistema completo de visión activa, en el que se capturan y generan imágenes de resolución espacial variable. Todo el sistema se integra en un sólo dispositivo del tipo AP SoC (All Programmable System on Chip), lo que nos permite llevar a cabo el codiseño hardware-software del mismo, implementando en la parte lógica los bloques de preprocesado intensivo, y en la parte software los algoritmos de procesado de control más complejo. El objetivo es que, trabajando con un campo visual del orden de Megapíxeles, se pueda procesar una tasa moderada de imágenes por segundo. Las imágenes multiresolución se generan a partir de sensores de resolución uniforme con una latencia nula, lo que permite tener preparada la imagen de resolución variable en el mismo instante en que se ha terminado de capturar la imagen original. Como innovación con respecto a las primeras contribuciones relacionadas con esta Tesis, se procesan imágenes con toda la información de color. Esto implica la necesidad de diseñar conversores entre espacios de color distintos, para adecuar la información al tipo de procesado que se va a realizar con ella. Estos bloques se integran sin alterar la latencia de entrega de los sucesivos fotogramas. El procesamiento de estas imágenes multirresolución genera un mapa de saliencia que permite mover la fóvea hacía la región considerada como más relevante en la escena. El contenido de la imagen se estructura en una jerarquía de niveles de abstracción. A diferencia de otras arquitecturas de este tipo, como son la pirámide regular y el polígono foveal, en las que se trabaja con imágenes de resolución uniforme en los distintos niveles de la jerarquía, la pirámide irregular foveal que se propone en esta tesis combina las ideas de trabajar con una imagen realmente multirresolución, que incluya el campo de visión completo que abarcan sensor y óptica, con el procesamiento jerárquico propio de las pirámides irregulares. Para ello en esta tesis se propone la implementación de un algoritmo de diezmado irregular que, tomando como base la imagen multirresolución, dará como resultado una estructura piramidal donde los distintos niveles no son imágenes sino grafos orientados a la resolución del problema de segmentación y estimación de saliencia. Todo el sistema se integra en torno a la arquitectura de bus AXI, que permite conectar entre si todos los cores desarrollados en la parte lógica, así como el acceso a la memoria compartida con los algoritmos implementados en la parte software. Esto es posible gracias a los bloques de acceso directo a memoria AXI-VDMA, en una propuesta de configuración que permite tanto la integración perfectamente coordinada de la transferencia de la imagen multirresolución generada a la zona de trabajo del algoritmo de segmentación como su recuperación para la posterior visualización del resultado del proceso, y todo ello con una tasa de trabajo que mejora los resultados de plataformas similares