Síntese de estruturas neurais usando gramáticas vetoriais estocásticas

Abstract

Resumo: o estudo de modelos representativos dos aspectos morfológicos das células neurais ainda é muito pequeno se tentaml0s comparar com modelos neurofisiológicos. Embora o pioneiro da neurociência Ramón y Cajal tenha observado que quanto mais complexa a função da célula neural, mais complexa é sua morfologia, somente agora alguns poucos estào se aventurando nesta odisséia, com pesquisas tanto no campo biológico como no computacional buscando modelos que possam contribuir para uma melhor compreensão da relação forma e função neural. Iniciamos esta dissertação tratando do sistema visual e seus aspectos morfológicos e funcionais. Fazemos uma introdução ao funcionamento neural e seu desenvolvimento. Buscamos também, na literatura, informações relacionadas às mudanças morfológicas que ocorrem durante o desenvolvimento e maturação (plasticidade) dos neurônios piramidais do córtex visual. Descrevemos os métodos e técnicas existentes relacionados à síntese neural, tais como gramáticas gráficas estocásticas, medidas neuromorfométricas e formatos de traçado neural. Desenvolvemos procedimentos para conversào dos diferentes traçados em um formato padrão, e assim, criamos funções estocásticas extraída das diferentes medidas de células naturais. A seguir, definimos uma gramática gráfica para a síntese de células artificiais. À cada regra desta gramática incorporamos funções extraídas de medidas de células naturais dos neurônios piramidais. Deste modo, procuramos criar células artificiais tridimensionais morfologicamente realistas. Para isso, desenvolvemos um compilador e interpretador gramatical (parser) que gera a seqüência de pontos para a geração da célula. Em seguida, criamos o visualizador tridimensional que permite visualizar esta célula, realizando operações tais como rotação, translação, escalonamento, e simulação de crescimento dendrítico em paralelo, além de outras operações utilizadas em ferramentas de visualização 3D.

Abstract: The study of the representative models of morphologic features of neural cells is still very restrict ifwe attempt to compare it to the neurophysiological models available. Although the neuroscience pioneer Ramón y Cajal observed that as more complex is the function of a neural cell, more complex will be its morphology, only now a few people have engaged this odyssey, with researches both in the biological and computational fields, in the search for models capable of contributing for a better comprehension ofthe function-form correlation. We start this work making reference to the visual system and its morphological and functional aspects. Neural function and development were introduced. We ais o searched in the literature for information related to the morphologic changes that occur during the development and maturation of the pyramidal neurons (plasticity) of the visual cortex. We described the existing methods and techníques related to the neural synthesis, such as stochastic graph grammars, neuromorphometric measurements and neural trace formats. We developed procedures for the conversion of the different trace pattems into a default pattem, and so we created stochastic functions extracted from different measurements of natural cells. Afier that, we defined a graph grammar for the synthesis of artificial celIs. Into each mie of this grammar we incorporated functions extracted from measurements of natural cells of pyramidal neurons. Therefore, we tried to create realistic morphologically threedimensional virtual celIs. For this purpose we developed a grammatical compiler and interprete r (parser), which generates a sequence of points for celI generation. Afierward, we developed a three-dimensional visualizer, which allows us to see the cell through operations such as rotation, translation, scaling, and simulation of parallel dentritic growth, without to mention some others 3D visualization tools used.