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 обратного проектирования устройств, созданных человеком, и является частью области коннектомики , которая, в свою очередь, является подобластью нейроанатомии .

Модельные системы

Некоторые из модельных систем, используемых для реконструкции цепей, включают плодовую мушку [1], мышь [ 2 ] и нематоду C. elegans [ 3] .

Подготовка образца

Образец должен быть зафиксирован, окрашен и залит в пластик. [4]

Визуализация

Образец может быть разрезан на тонкие ломтики с помощью микротома , затем визуализирован с помощью просвечивающей электронной микроскопии . В качестве альтернативы, образец может быть визуализирован с помощью сканирующего электронного микроскопа , затем поверхность может быть отшлифована с помощью сфокусированного ионного пучка или подрезана с помощью микротома в микроскопе. Затем образец повторно визуализируется, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет обработан желаемый объем. [5]

Обработка изображений

Первый шаг — объединить отдельные изображения в единый трехмерный объем.

Затем объем аннотируется с использованием одного из двух основных методов. Первый вручную идентифицирует скелеты каждого нейрита . [6] Второй метод использует программное обеспечение компьютерного зрения для идентификации вокселей, принадлежащих одному нейрону. Второй метод использует программное обеспечение машинного обучения для идентификации вокселей, принадлежащих одному нейрону. Популярными подходами являются архитектуры U-Net для прогнозирования сродства по вокселям в паре с сегментацией водораздела [7] и сетями заполнения потоком. [8] Эти подходы создают избыточную сегментацию, которая может быть вручную или автоматически агломерирована для правильного представления нейрона. Даже для автоматически агломерированных сегментаций большие усилия по ручной корректуре применяются для максимальной точности. [9]

Известные примеры

  • Коннектом C. elegans был основополагающей работой в этой области. [3] Эта схема была получена с большим трудом с использованием вручную вырезанных секций и чисто ручной аннотации на фотопленке. В течение многих лет это была единственная доступная реконструкция схемы.
  • Центральный мозг плодовой мушки Drosophila Melanogaster был опубликован в 2020 году. [10] В этом выпуске данных были представлены первые онлайн-инструменты для исследования коннектома.
  • Human Cortex H01, выпущенный в 2021 году, представляет собой 1,4-петабайтный том небольшого образца ткани человеческого мозга, полученного с помощью последовательной электронной микроскопии с наномасштабным разрешением, реконструированного и аннотированного с помощью автоматизированных вычислительных методов и проанализированного для предварительного понимания структуры коры головного мозга человека. [11]
  • В своем исследовании 2022 года «Коннектомное сравнение коры головного мозга мыши и человека» исследователи реконструировали 9 коннектомов у разных видов: наборы данных по мыши, макаке и человеку. [12]

Запрос коннектома

Коннектомы мозга высших организмов требуют значительных данных. Например, для плодовой мушки примерно 10 терабайт данных изображений обрабатываются людьми и компьютерами для генерации нескольких гигабайт данных коннектома. Простое взаимодействие с этими данными требует интерактивного интерфейса запросов, где исследователи могут просматривать интересующую их часть данных без загрузки всего набора данных и без специального обучения. Конкретным примером этой технологии является интерфейс NeuPrint для коннектомов, генерируемых в HHMI. [13] Это имитирует инфраструктуру генетики, где интерактивные инструменты запросов, такие как BLAST, обычно используются для просмотра интересующих генов, которые для большинства исследований составляют лишь небольшую часть генома.

Ограничения и будущая работа

Понимание детальной работы реконструированных сетей также требует знания щелевых соединений (их трудно увидеть с помощью существующих методов), идентичности нейротрансмиттеров , а также местонахождения и идентичности рецепторов . Кроме того, нейромодуляторы могут распространяться на большие расстояния и по-прежнему сильно влиять на функцию. [14] В настоящее время эти характеристики должны быть получены с помощью других методов. Расширенная микроскопия может предоставить альтернативный метод.

Ссылки

  1. ^ ab Чкловский, Дмитрий Б.; Виталдевуни, Шив; Шеффер, Луис К. (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с использованием электронной микроскопии». Current Opinion in Neurobiology . 20 (5): 667–75. doi :10.1016/j.conb.2010.08.002. PMID  20833533. S2CID  206950616.
  2. ^ 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 in vivo физиология зрительных корковых нейронов». Nature . 471 (7337): 177–82. Bibcode :2011Natur.471..177B. doi :10.1038/nature09802. PMC 3095821 . PMID  21390124. 
  3. ^ ab White, John G.; Southgate, Eileen ; Nichol Thomson, J.; Brenner, Sydney (1986). «Структура нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans». Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 314 (1165): 1–340. Bibcode : 1986RSPTB.314....1W. doi : 10.1098/rstb.1986.0056 . PMID  22462104.
  4. ^ Хаят, М. Ариф (2000). Принципы и методы сканирующей электронной микроскопии. Биологические приложения, четвертое издание . Cambridge University Press. ISBN 978-0521632874.
  5. ^ Бриггман, Кевин Л.; Дэви Д. Бок (2012). «Объемная электронная микроскопия для реконструкции нейронных цепей». Current Opinion in Neurobiology . 22 (1): 154–161. doi :10.1016/j.conb.2011.10.022. PMID  22119321. S2CID  22657332.
  6. ^ Заальфельд, Стефан, Альберт Кардона, Фолькер Хартенштейн и Павел Томанчак (2009). «CATMAID: набор инструментов для совместной аннотации больших объемов данных изображений». Биоинформатика . 25 (15): 1984–1986. doi :10.1093/bioinformatics/btp266. PMC 2712332. PMID  19376822 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ «Крупномасштабная сегментация изображений с использованием глубокого обучения на основе структурированных потерь для реконструкции коннектома». scholar.google.com . Получено 14.02.2024 .
  8. ^ Янушевский, Михал; Корнфельд, Йорген; Ли, Питер Х.; Поуп, Арт; Блейкли, Тим; Линдси, Ларри; Майтин-Шепард, Джереми; Тайка, Майк; Денк, Винфрид; Джейн, Вирен (август 2018 г.). «Высокоточная автоматизированная реконструкция нейронов с помощью сетей заполнения потоками». Nature Methods . 15 (8): 605–610. doi :10.1038/s41592-018-0049-4. ISSN  1548-7105.
  9. ^ Чкловский, Дмитрий Б., Шив Виталдевуни и Луис К. Шеффер. (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с использованием электронной микроскопии». Current Opinion in Neurobiology . 20 (5): 667–675. doi :10.1016/j.conb.2010.08.002. PMID  20833533. S2CID  206950616.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Джейсон Пипкин (8 октября 2020 г.). «Коннектомы: картирование разума мухи». Elife Sciences.
  11. ^ Shapson-Coe, Alexander; Januszewski, Michał; Berger, Daniel R.; Pope, Art; Wu, Yuelong; Blakely, Tim; Schalek, Richard L.; Li, Peter H.; Wang, Shuohong (2021-11-25), Коннектомное исследование петастного фрагмента коры головного мозга человека, doi : 10.1101/2021.05.29.446289 , получено 2024-02-14
  12. ^ Лумба, Сахил; Штрэхле, Якоб; Гангадхаран, Виджаян; Хайке, Натали; Халифа, Абдельрахман; Мотта, Алессандро; Джу, Няньшэн; Сиверс, Майке; Гемпт, Йенс; Мейер, Ханно С.; Хельмштедтер, Мориц (2022-07-08). "Коннектомическое сравнение коры головного мозга мыши и человека". Science . 377 (6602). doi :10.1126/science.abo0924. ISSN  0036-8075.
  13. ^ «Инструменты анализа для коннектомики». Медицинский институт Говарда Хьюза.
  14. ^ Баргманн, Корнелия И. (2012). «За пределами коннектома: как нейромодуляторы формируют нейронные цепи». BioEssays . 34 (6): 458–465. doi : 10.1002/bies.201100185 . PMID  22396302.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Neural_circuit_reconstruction&oldid=1208818900"