Реконструкция нейронной цепи
Реконструкция нейронной цепи — это реконструкция детальной схемы нервной системы (или части нервной системы) животного. Иногда ее называют ЭМ-реконструкцией , поскольку основным используемым методом является электронный микроскоп (ЭМ). [1] Эта область является близким родственником реверс-инжиниринга устройств, созданных человеком, и является частью области коннектомики , которая, в свою очередь, является подразделом нейроанатомии .
Модельные системы
[ редактировать ]Некоторые из модельных систем, используемых для реконструкции цепей, — это плодовая мушка , [1] мышь , [2] и нематода C. elegans . [3]
Подготовка проб
[ редактировать ]Образец необходимо зафиксировать, окрасить и заключить в пластик. [4]
Визуализация
[ редактировать ]Образец можно разрезать на тонкие ломтики с помощью микротома , а затем визуализировать с помощью просвечивающей электронной микроскопии . В качестве альтернативы образец можно визуализировать с помощью сканирующего электронного микроскопа , затем поверхность отшлифовать с помощью сфокусированного ионного луча или обрезать с помощью микротома, встроенного в микроскоп. Затем образец повторно визуализируется, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет обработан желаемый объем. [5]
Обработка изображений
[ редактировать ]Первым шагом является объединение отдельных изображений в единый трехмерный объем.
Затем том аннотируется одним из двух основных методов. Первый вручную идентифицирует скелеты каждого нейрита . [6] Второй метод использует программное обеспечение компьютерного зрения для идентификации вокселей, принадлежащих одному и тому же нейрону. Второй метод использует программное обеспечение машинного обучения для идентификации вокселей, принадлежащих одному и тому же нейрону. Популярными подходами являются архитектуры U-Net для прогнозирования сходства вокселей в сочетании с водораздела . сегментацией [7] и сети, заполняющие паводки. [8] Эти подходы приводят к чрезмерной сегментации, которую можно агломерировать вручную или автоматически для правильного представления нейрона. Даже для автоматически агломерированной сегментации для достижения максимальной точности требуются большие усилия по ручной корректировке. [9]
Яркие примеры
[ редактировать ]- Коннектом C. elegans стал плодотворной работой в этой области. [3] Эта схема была получена с большими усилиями с использованием вырезанных вручную участков и чисто ручных аннотаций на фотопленке. В течение многих лет это была единственная доступная реконструкция схемы.
- Центральный мозг плодовой мухи Drosophila Melanogaster был выпущен в 2020 году. [10] В этом выпуске данных были представлены первые онлайн-инструменты для запроса коннектома.
- Human Cortex H01 , выпущенный в 2021 году, представляет собой небольшой образец ткани головного мозга размером 1,4 петабайта, полученный с наномасштабным разрешением с помощью серийной секционной электронной микроскопии, реконструированный и аннотированный с помощью автоматизированных вычислительных методов, а также проанализированный для предварительного понимания структуры кора человека. [11]
- В своем исследовании 2022 года «Коннектомное сравнение коры головного мозга мыши и человека» исследователи реконструировали 9 коннектомов разных видов: наборы данных мыши , макаки и человека . [12]
Запрос коннектома
[ редактировать ]Коннектомы головного мозга высших организмов требуют значительных данных. Например, у плодовой мухи примерно 10 терабайт данных изображений обрабатываются людьми и компьютерами для создания нескольких гигабайт данных коннектома. Для простого взаимодействия с этими данными требуется интерактивный интерфейс запросов, где исследователи могут просматривать интересующую их часть данных, не загружая весь набор данных и не требуя специального обучения. Конкретным примером этой технологии является интерфейс NeuPrint для коннектомов, генерируемых в HHMI. [13] Это имитирует инфраструктуру генетики, где инструменты интерактивных запросов, такие как BLAST, обычно используются для изучения интересующих генов, которые в большинстве исследований составляют лишь небольшую часть генома.
Ограничения и будущая работа
[ редактировать ]Понимание детальной работы реконструированных сетей также требует знания щелевых соединений (трудно различимых с помощью существующих методов), идентичности нейротрансмиттеров , а также местоположения и идентичности рецепторов . Кроме того, нейромодуляторы могут распространяться на большие расстояния и при этом сильно влиять на функции. [14] В настоящее время эти функции должны быть получены с помощью других методов. расширительная микроскопия Альтернативным методом может стать .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Чкловский Дмитрий Б; Виталадевуни, Шив; Схеффер, Луи К. (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с помощью электронной микроскопии». Современное мнение в нейробиологии . 20 (5): 667–75. дои : 10.1016/j.conb.2010.08.002 . ПМИД 20833533 . S2CID 206950616 .
- ^ Бок, Дэви Д.; Ли, Вэй-Чунг Аллен; Керлин, Аарон М.; Андерманн, Марк Л.; Худ, Грег; Ветцель, Артур В.; Юргенсон, Сергей; Суси, Эдвард Р.; и др. (2011). «Сетевая анатомия и физиология нейронов зрительной коры in vivo» . Природа . 471 (7337): 177–82. Бибкод : 2011Natur.471..177B . дои : 10.1038/nature09802 . ПМК 3095821 . ПМИД 21390124 .
- ^ Jump up to: а б Уайт, Джон Г.; Саутгейт, Эйлин ; Никол Томсон, Дж.; Бреннер, Сидней (1986). «Строение нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans» . Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 314 (1165): 1–340. Бибкод : 1986RSPTB.314....1W . дои : 10.1098/rstb.1986.0056 . ПМИД 22462104 .
- ^ Хаят, М. Ариф (2000). Принципы и методы сканирующей электронной микроскопии. Биологические применения, четвертое издание . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521632874 .
- ^ Бриггман, Кевин Л.; Дэви Д. Бок (2012). «Объемная электронная микроскопия для реконструкции нейронных цепей» . Современное мнение в нейробиологии . 22 (1): 154–161. дои : 10.1016/j.conb.2011.10.022 . ПМИД 22119321 . S2CID 22657332 .
- ^ Заальфельд, Стефан, Альберт Кардона, Фолькер Хартенштейн и Павел Томанчак (2009). «CATMAID: набор инструментов для совместной аннотации для огромных объемов данных изображений» . Биоинформатика . 25 (15): 1984–1986. doi : 10.1093/биоинформатика/btp266 . ПМЦ 2712332 . ПМИД 19376822 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Крупномасштабная сегментация изображений с глубоким обучением на основе структурированных потерь для реконструкции коннектома» . ученый.google.com . Проверено 14 февраля 2024 г.
- ^ Янушевский, Михал; Корнфельд, Йорген; Ли, Питер Х.; Папа, Искусство; Блейкли, Тим; Линдси, Ларри; Майтин-Шепард, Джереми; Тыка, Майк; Денк, Винфрид; Джайн, Вирен (август 2018 г.). «Высокоточная автоматизированная реконструкция нейронов с сетями заполнения» . Природные методы . 15 (8): 605–610. дои : 10.1038/s41592-018-0049-4 . ISSN 1548-7105 .
- ^ Чкловский, Дмитрий Б., Шив Виталадевуни и Луи К. Шеффер. (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с помощью электронной микроскопии» . Современное мнение в нейробиологии . 20 (5): 667–675. дои : 10.1016/j.conb.2010.08.002 . ПМИД 20833533 . S2CID 206950616 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Джейсон Пипкин (8 октября 2020 г.). «Коннектомы: картирование разума мухи» . Элайф Науки.
- ^ Шапсон-Коу, Александр; Янушевский, Михал; Бергер, Дэниел Р.; Папа, Искусство; Ву, Юэлун; Блейкли, Тим; Шалек, Ричард Л.; Ли, Питер Х.; Ван, Шуохун (25 ноября 2021 г.), Коннектомное исследование петамасштабного фрагмента коры головного мозга человека , doi : 10.1101/2021.05.29.446289 , получено 14 февраля 2024 г.
- ^ Лумба, Сахиль; Стреле, Якоб; Гангадхаран, Виджаян; Хайке, Натали; Халифа, Абдельрахман; Мотта, Алессандро; Цзюй, Няньшэн; Сиверс, Майке; Гемпт, Йенс; Мейер, Ханно С.; Хельмштедтер, Мориц (08 июля 2022 г.). «Коннектомное сравнение коры головного мозга мыши и человека» . Наука . 377 (6602). дои : 10.1126/science.abo0924 . ISSN 0036-8075 .
- ^ «Инструменты анализа для коннектомики» . Медицинский институт Говарда Хьюза.
- ^ Баргманн, Корнелия И. (2012). «За пределами коннектома: как нейромодуляторы формируют нейронные цепи» . Биоэссе . 34 (6): 458–465. doi : 10.1002/bies.201100185 . ПМИД 22396302 .