Eesti teadlased õpetasid arvuti ülitäpselt rakupiltidest aru saama

Arvutile võib õpetada, milline objekt on parasjagu pildil - kass, koer või hoopis vähirakk. (Foto: Beety / TenOfAllTrades / Trumpet Dan/ Creative Commons)
Marju Himma
15.06.2016 10:36
Rubriik: Tehnika

Kui neli aastat tagasi ei osanud arvuti teha vahet, kas pildil on koer või kass, siis nüüd tuvastavad isesõitvad autod automaatselt liiklusmärke, Facebook tunneb ära fotol olevad näod, ning Google Translate tõlgib reaalajas ka pildistatud teksti. Kõik selle teevad võimalikuks tehislikud närvivõrgud.

Just tehislikke närvivõrke uurib TÜ magister Tanel Pärnamaa, kes koos Leopold Partsiga kirjutasid hiljuti artikli närvivõrkude rakendamisest bioloogias mikroskoobi piltide analüüsimisel. Pilte bioloogilisest materjalist, eelkõige rakkudest, on palju ja tekib aina juurde – näiteks pildistavad ravimifirmad eraldi miljonite kandidaatmolekulide mõju vähirakkudele.

Eksperdil võtab nende analüüsimine aga kaua aega: inimene väsib ära, tahab magada ja süüa. Neid puudusi arvutil pole. “Artiklis näitasime, et mikroskoobi piltide automaatne analüüs närvivõrkudega on väga täpne,” märgib Tanel Pärnamaa.

Pärnamaa, kes praegu jätkab oma uurimistööd Kanadas, uuris alustuseks oma magistritöös sügavate närvivõrkude rakendusi eesti keele peal. Eesmärk oli treenida statistiline masin ehk algoritm, mis suudaks pilte eesti keeles kirjeldada.


Pildi kirjeldus: Automatiseeritud algoritm kirjeldab pilte loomulikus ja grammatiliselt korrektses eesti keeles (vasakpoolne pilt). Kui õppematerjaliks olnud suures hulgas piltides ja nende kirjeldustes puudub informatsioon mõne objekti, näiteks elevandi kohta, ei õpi algoritm seda objekti ära; samuti on algoritmil raskusi loendamisega (parempoolne pilt).

Kuna eesti keeles on palju käändeid ja pöördeid ning väiksem keelekorpus, on see masinõppele suurem väljakutse kui näiteks inglise või saksa keel. Ometi näitas Pärnamaa, et pilte on võimalik automaatselt loomulikus ja grammatiliselt korrektses eesti keeles kirjeldada.

Sellest uurimusest kasvas aga välja järgmine väljakutse: kuidas õpetada arvutit aru saama mikroskoobi piltidest?

Rakubioloogid pildistavad kõrglahutusmikroskoobi abil üksikuid rakke, et koguda sedasi infot nende elutegevuse kohta. Inimesel on vaja aastaid kogemust ja vastavat treeningut, et täpselt ära tunda, mis pildil juhtus. Arvuti abil on seda aga võimalik teha kiiremini ja täpsemini.

Seega on Pärnamaa ja Parts töötanud välja abivahendi teadlastele, et need saaksid visuaalse materjali toel teada, mis katses toimus.

Kuidas aga õpetada arvutile näiteks raku sees toimuvat ära tundma?

Pärnamaa treenis 65 000 pärmiraku näite põhjal 11-kihilise närvivõrgu „DeepYeast“. Mudelis oli üle 10 miljoni neuronitevahelise ühenduse, mille tugevust oli vaja automaatselt optimeerida.

Algselt olid need juhuslikud, aga iga näite korral muudetakse neid selliselt, et järgmine kord, kui mudel näeb sarnast rakku, on prognoos täpsem. Nii õppis mudeli esimene kiht pildilt tuvastama horisontaalseid ja vertikaalseid ääriseid, teine kiht diagonaale ja värvilaike, kolmas kiht ringe ning sügavamad kihid suuremaid osasid rakust. Mudeli viimane kiht kombineeris need automaatselt leitud tunnused valgu asukoha kirjelduseks.

Nii suutis mudel pärmiraku pildi pealt 91-protsendilise täpsusega aru saada, kus uurimise all olev helendav valk selle raku sees asub, ning 99-protsendilise täpsusega lähendada valgu inimeksperdi poolt antud kirjeldust. Need on seni teadaolevalt kõige paremad tulemused selle ülesande lahendamiseks.

Väljatöötatud pildituvastusmudelit ei ole seotud konkreetse katse piltidega, vaid on võimalik kasutada ka teiste mikroskoopiapiltide puhul. Selleks, et mudel leiaks aga laiemat kasutust, on vaja seda levitada teadlaste hulgas, mistõttu andsid Pärnamaa ja Parts enda välja töötatud närvivõrgu vabasse kasutusse.

Tanel Pärnamaa ja Leopold Parts avaldasid sügavate närvivõrkude teemalise artikli uurimusi ja teadusartikleid koondavas võrgukeskkonnas BioRxiv. Tanel Pärnamaa magistritööd on võimalik lugeda Tartu ülikooli digitaalarhiivist.

Neile, kes soovivad tutvuda tehislike närvivõrkudega, on soovituslik lugemine Michael A. Nielsen'i raamat „Neural Networks and Deep Learning“, mis on veebis vabalt kättesaadav.

Kus me tehislikke närvivõrke rakenduses näeme? 
Närvivõrke kasutatakse igas suuremas tehnoloogiafirmas: Google otsingumootor kasutab närvivõrke ühe komponendina veebilehtede järjestamisel, Apple’i mobiilides olev personaalne assistent Siri kasutab närvivõrke kõne tuvastamisel, Skype Translator kasutab närvivõrke kõne tõlkimisel, Facebook kasutab närvivõrke kasutaja näo piltidelt ära tundmisel. Samuti kasutavad tehislikel närvivõrkudel tuginevaid pildituvastustehnoloogiaid näiteks iseliikuvad autod.

Nime väli peab olema täidetud
Mitte rohkem kui 50 tähemärki
Kommentaari väli ei saa olla tühi
Mitte rohkem kui 50 tähemärki
Kommentaari väli ei saa olla tühi
Mitte rohkem kui 1024 tähemärki
{{error}}

Teade toimetusele edastatud

Sellelt Ip-aadressilt on ligipääs piiratud

Samal teemal

Kommentaare veel ei ole. Ole esimene!

Vasta kommentaarile

+{{childComment.ReplyToName}}:
Vasta kommentaarile
Vasta

Laadi juurde ({{take2}})
Kommenteerimine on lubatud registreeritud kasutajatele!Olete sisseloginud kui {{userAlias}}
Nime väli peab olema täidetud
Mitte rohkem kui 50 tähemärki
Kommentaari väli ei saa olla tühi
Mitte rohkem kui 1024 tähemärki
{{error}}
Autendi ja kommenteeri ID-kaardiga.
Lisa uus kommentaar
  • foto
    Arvuti vilkuv leed reedab teie saladused
    12:07

    Iisraeli Ben-Guriyyoni Negevi ülikooli küberkaitsekeskuse teadlased uurisid võimalusi, kuidas internetist isoleeritud arvutist andmeid varastada ja leidsid, et üks selline vahend võib olla kõvaketta tegevust näitav tilluke leed.

  • foto
    ESTCube-2 blogi: algab prototüübi testimine
    22.02

    ERR Novaator hakkab avaldama ESTCube-2 meeskonna veebipäevikuid, milles tuleb juttu meeskonna tegemistest ja satelliidi valmimise teekonnast.

  • foto
    3D-prinditud kaamera annab kotka pilgu
    17.02

    Saksa teadlased esitlevad kotkasilmast inspireeritud 3D-prinditud kaamerat. Aparaati saaks kasutada näiteks endoskoopide ja nutitelefonide kaamerate lahutusvõime parandamiseks ning isejuhtivate autode sensorites.

  • foto
    Jätkusuutliku disaini labor ühendab disainis keskkonna- ja sotsiaalteadused
    16.02

    Eesti kunstiakadeemia juures on 2015. aasta sügisest toimetanud jätkusuutliku disaini labor, mis võtab fookusesse ringmajanduse ja väärtustava taaskasutuse teemad. Koostöös Lilleoru kogukonnaga käib laboris töö uudse väikemajade lahenduse loomiseks, mis oleks ühtaegu keskkonnasõbralikult ehitatud, mõistliku hinnaga kui ka inimsõbralikult kasutatav.

  • foto
    Kiirenditehnoloogiate massideni jõudmist pidurdab tööstuse huvipuudus
    16.02

    Kuigi Euroopa Tuumauuringute Keskus (CERN) paistab maailmas eeskätt silma alusteaduste arendamise ja inimeste maailmapildi avardamisega, on see olnud ka mitmete meditsiinitehnoloogiate kasvulavaks. Uute tehnoloogiate, näiteks vähiteraapiate massidesse jõudmine on aga võimatu tööstuse huvita.

  • foto
    Numbrimäng: Higgsi boson võib kuulutada maailmalõppu
    15.02

    Universum on olemuslikult ebastabiilne ja lõpliku elueaga, järeldavad teistele elementaarosakestele massi andva Higgsi bosoni omadusi uurinud füüsikud. Selle asemele tekkivas maailmakõiksuses kehtivad füüsikaseadused tõenäoliselt mõistuslikku elu ei toeta.

  • foto
    Füüsika uurimise praktilised tulemused: puutetundlik ekraan ja WWW
    15.02

    Kuigi pole selge kas ja kuidas maailm lõpu saab, siis meie universumi uurimise käigus töötatakse välja tehnoloogiaid, millest on kasu ühiskonnale laiemalt – sõna otseses mõttes käega katsutavaim tulemus on meie nutitelefonide puutetundlikud ekraanid.

  • foto
    Masinõpe treenib arvuti tulevikku ennustama  
    10.02

    Teadlased otsivad koostöös ettevõtlussektoriga mobiilsideandmetest mustreid rahvastiku liikumises ja loodavad nende põhjal teha ennustusi inimeste tuleviku liikumiste kohta.

  • foto
    Valgustundlikud LED-id tõotavad viia ekraanide interaktiivsuse uuele tasemele
    10.02

    Puutetundlikke ekraane ei pruugi olla vaja juba õige pea reaalselt puudutada. Teadlased esitlevad uusi LED-lambikesi, mis suudavad lisaks valguse kiirgamisele registreerida samaaegselt sellele langevaid varje ja valgust.

  • foto
    Vaataja küsib: miks jäätub kuum vesi kiiremini kui külm vesi?
    09.02

    Televaataja saatis “Novaatorile” küsimuse, miks teatud tingimustel külmub kuumem vesi hoopis kiiremini kui leige vesi. Otsisime sellele küsimusele vastust Tallinna ülikooli füüsikutelt.

  • foto
    TTÜ teadussekundid: kuidas vältida elektriseadmete kummalist käitumist?
    08.02

    Kui Popov ja Marconi aastal 1895 oma esimesi raadioside katseid tegid, võisid nad olla suhteliselt rahulikud, sest maailmas polnud just palju erinevaid elektriseadmeid, mis oleks võinud segada nende raadioside seansse. Tänapäeval on olukord kordi keerulisem, nendib Tallinna tehnikaülikooli elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi teadur Heigo Mõlder

  • foto
    Füüsikud esitlesid suuremõõtmelise kvantarvuti kavandit
    02.02

    Briti füüsikud esitlevad üksikasjalikku projekti vaid juba väljatöötatud tehnoloogiat kasutades moodulitest koosneva kvantarvuti ehitamiseks. Vastavalt vajadusele ja lahendavate ülesannete keerukusele võiks arvuti mahtuda toanurka või täita terve jalgpallistaadioni.

  • foto
    Struktuurne riidevärv hoiab veekogud puhtad
    02.02

    Kiirmood on odav, aga kahjulik keskkonnale. Riiete värvimisel kasutatavad ained saastavad tehaste ümbruse veekogusid. Nüüd teatab rühm hiina teadlasi, et on leidnud viisi, kuidas värvida riideid keskkonnaohutult.

  • foto
    TTÜ teadlaste nutikas võrk püüab kinni vähirakud ja keskkonnasaaste
    01.02

    Tallinna tehnikaülikooli teadlased töötavad välja nutikat polümeerset võrku molekulide püüdmiseks. Selline võrk peab kinni ainult kindlaid molekule, näiteks viiruseid ja ravimeid. Ning just seetõttu sobib see näiteks ravimite õigesse kohta toimetamiseks või keskkonnasaaste määramiseks.

  • foto
    ESTCube-2 on plaanis katsetada Eesti teadlaste arendatavat erilist kaitsekatet
    01.02

    Eesti meterjaliteadlased on alustanud uuringuid aatomkihtsadestuse rakendamiseks täiesti uudsete materjalide loomisel. Nimelt on võimalik kombineerida aatomkihtsadestust osavalt mitmete teiste materjalide sünteesimeetoditega nii, et nende eelised kompenseerivad üksteise puudujääke ning tulemuseks on enneolematult heade omadustega uus materjal.

  • foto
    Robootik: robotile ei peaks kehtima erilised turvareeglid
    31.01

    Jaanuari-veebruari Horisondile antud intervjuus ütles TTÜ biorobootika keskuse juht Maarja Kruusmaa, et ei näe põhjust, miks peaks robotitele kehtima teistsugused nõuded kui näiteks autole või nõudepesumasinale

  • foto
    Ultraheli- ja röntgenuuringud aitavad hinnata ka ehitiste tervist
    27.01

    Arstid kasutavad nihkes liigeste, mõranenud luude ja teiste inimese sisemiste hädade tuvastamiseks röntgenit ja ultraheliseadmeid. Tallinna tehnikakõrgkool aitab ehitus- ja projekteerimisettevõtetel kasutada samasugust tehnoloogiat sildade ja teiste betoonehitiste tehnilise seisukorra hindamisel.

  • foto
    TTÜ majandusteadlased õpetavad Euroopale bürokraatia vähendamist
    25.01

    Äriettevõtted on pika aja jooksul välja töötanud viise, kuidas vähendada kulukat bürokraatiat, mis on rahaliselt kallis aga ka ajamahukas. Nüüd otsitakse Tallinna tehnikaülikooli teadlaste abil lahendusi bürokraatia vähendamiseks Euroopa riikide avalikus sektoris.

  • foto
    Tulekul on sünteetilise bioloogia ajastu
    21.01

    Uut eluteadustes: mis on inimeste elu ja maailmamajanduse kõiki harusid mõjutama hakkav sünteetiline bioloogia? Nii küsib kultuurileht Sirp sellenädalases numbris.

  • foto
    Uudne andmetalletustehnika pakub lahendust andmekeskuste energianäljale
    19.01

    Infoühikute – 1 ja 0 – töötlemisele kulutatakse umbes kaks protsenti maailmas toodetavast elektrist. Sellest märgatav osa kulub andmete kirjutamisel vabanevast soojusest vabanemiseks. Näitaja kahekordistub seejuures iga viie aastaga. Hollandi ja poola teadlased esitlevad nüüd süsteemi, mille abil eraldub bittide kirjutamisel soojust praegusest miljoneid kordi vähem.

  • foto
    Telefoniaku saab kaasa väikese tulekustuti
    17.01

    Nutitelefon on vahva vidin, aga nutuseks võib olukord minna siis, kui telefoni aku ühtäkki leekidesse lahvatab. Seda on juhtunud. Möödunud aastal oli telefonitootja Samsung sunnitud just isesüttivate liitium-ioonakude pärast turult tagasi kutsuma kõik Note 7 telefonid.

  • foto
    Tartu teadlased aitavad tuumasünteesiuurijatel Päikese Maale tuua
    17.01

    Euroopa üks suuremaid teadus- ja arendusprojekte EUROfusion, mis loodi tuumasünteesil põhineva elektritootmise saavutamiseks, andis eestlastest ja prantslastest koosnevale teadlasterühmale tööd. Nad said võimaluse luua kõrge kiirgustaluvusega optilised materjalid. Neid materjale võiks tulevikus kasutada tuumasünteesireaktorite talitust jälgivates diagnostikaseadmetes.

  • foto
    Moodulelemendid kiirendavad hoone ümbersündi liginullenergiamajaks
    13.01

    TTÜ teadlaste ja puitmajaehitajate koostöös arendatakse puitelementidega mooduleid, mis võimaldavad korrusmaja renoveerida liginullenergiahooneks kiirelt ja ilma tellinguteta.

  • foto
    Loomauuringud aitavad vigastatud droonidel lennata  
    09.01

    Droonide ehitajatel on lindudelt ja mesilastelt mõndagi õppida. Nii saaks näiteks äädikakärbse eeskujul ehitatud droon jätkata lendamist ka pärast tiiva kaotamist.

  • foto
    "Agenda" CES-il: nutihäll aitab vanematel magada
    07.01

    Tehnoloogiamessil CES esitletud nutikas häll Snoo võtab unest ärganud imikute uuesti uinutamiseks appi automaatselt mitmeid trikke, mis peaks vähendama vanemate kurnatust ja tuua õnnelikuma pereelu.

  • foto
    "Agenda" CES-il: robotid tulevad!
    07.01

    Paljude inimeste sooviks on ilmelt leida oma ellu kaaslane, kes aitaks neil kodus paremini hakkama saada. Maailma suurimal tehnoloogimessil CES võis näha mitmeid roboteid, mis üritavad täita just seda tühimikku.

  • foto
    Meie aju loob ettekujutuse maailmast eelnevate teadmiste põhjal
    07.01

    Aju ei vahenda pärismaailma, vaid loob selle sisendi eelnevate teadmiste põhjal, kirjutavad Sirbis ajuteadlane ja psühholoog Jaan Aru ning Madis Vasser.

  • foto
    Kapten Korrosioon võitleb materjalide hävimise vastu
    07.01

    Tartu ülikooli hargettevõtte Captain Corrosioni juhataja ja TÜ kiletehnoloogia labori insener Maido Merisalu on koostöös teiste ülikooli materjaliteadlastega töötanud välja kõrgtehnoloogilised kaitsekatted. Need kaitsekatted võivad pikendada eri metallisulamite eluiga kuni mitu tuhat aastat, kirjutab ülikooli ajakiri Universitas Tartuensis.

  • foto
    "Agenda" CES-il: kaasaskantav päikesepaneel ühendab kodu elektrivõrgust lahti
    06.01

    Maailma suurimal tehnoloogiamessil CES tutvustatakse esimest päikesepatareid, mis oskab energiat salvestada ja seda jagada ning suhelda energiat tarbivate asjadega.

  • foto
    "Agenda" CES-il: nutikas juuksehari kuulab, kui katki on kiharad
    05.01

    Kas kammid juukseid õigesti? Maailma esimene nutikas juuksehari annab sellele vastuse, analüüsides seda, kui tugevasti, millise nurga alt ja kui mitu korda kiharaid harjad.