Реконструкция нервной цепи - это реконструкция детальной схемы нервной системы (или части нервной системы) животного. Иногда это называют ЭМ-реконструкцией, поскольку основным используемым методом является электронный микроскоп (ЭМ). [1] Эта область является близким родственником обратной инженерии устройств, созданных человеком, и является частью области коннектомики , которая, в свою очередь, является подразделом нейроанатомии .
Модельные системы
Некоторые из модельных систем , используемых для реконструкции схемы являются плодовая мушка , [1] мыши , [2] и нематод C. Элеганс . [3]
Базовые приготовления
Образец необходимо зафиксировать, окрасить и залить пластиком. [4]
Визуализация
Образец можно разрезать на тонкие срезы с помощью микротома , а затем получить изображение с помощью просвечивающей электронной микроскопии . В качестве альтернативы образец может быть визуализирован с помощью сканирующего электронного микроскопа , затем поверхность обработана сфокусированным ионным пучком или обрезана с помощью микротома в микроскопе. Затем образец повторно отображается, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет обработан желаемый объем. [5]
Обработка изображений
Первый шаг - выровнять отдельные изображения в единый трехмерный объем.
Затем том аннотируется одним из двух основных способов. Первый вручную определяет скелеты каждого нейрита . [6] Второй метод использует программное обеспечение компьютерного зрения для определения вокселей, принадлежащих одному и тому же нейрону, которые затем корректируются в процессе корректуры . [7]
Известные примеры
- Коннектом C. elegans стал плодотворной работой в этой области. [3] Эта схема была получена с большими усилиями с использованием вырезанных вручную секций и чисто ручного аннотирования на фотопленке. В течение многих лет это была единственная доступная реконструкция схемы.
- Центральный мозг плодовой мушки Drosophila Melanogaster был выпущен в 2020 году. [8] В этом выпуске данных представлены первые онлайн-инструменты для запроса коннектома.
Запрос коннектома
Коннектомы мозга высших организмов требуют значительных данных. Для плодовой мушки, например, примерно 10 терабайт данных изображения обрабатываются людьми и компьютерами для генерации нескольких гигабайт данных коннектома. Для легкого взаимодействия с этими данными требуется интерактивный интерфейс запросов, в котором исследователи могут просматривать интересующую их часть данных, не загружая весь набор данных и без специального обучения. Конкретным примером этой технологии является интерфейс NeuPrint для коннектомов, генерируемых на HHMI. [9] Это имитирует инфраструктуру генетики, где инструменты интерактивных запросов, такие как BLAST , обычно используются для просмотра интересующих генов, которые для большинства исследований составляют лишь небольшую часть генома.
Ограничения и будущая работа
Понимание подробностей работы реконструированных сетей также требует знания щелевых контактов (которые трудно увидеть 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 функцию. [10] В настоящее время эти функции должны быть получены другими методами. Альтернативным методом может быть экспансионная микроскопия .
Рекомендации
- ^ a b Чкловский, Дмитрий Б; Виталадевуни, Шив; Схеффер, Луи К (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с помощью электронной микроскопии». Текущее мнение в нейробиологии . 20 (5): 667–75. DOI : 10.1016 / j.conb.2010.08.002 . PMID 20833533 .
- ^ Bock, Davi D .; Ли, Вей-Чунг Аллен; Керлин, Аарон М .; Andermann, Mark L .; Худ, Грег; Ветцель, Артур В .; Юргенсон, Сергей; Суси, Эдвард Р .; и другие. (2011). «Сетевая анатомия и физиология in vivo зрительных корковых нейронов» . Природа . 471 (7337): 177–82. DOI : 10,1038 / природа09802 . PMC 3095821 . PMID 21390124 .
- ^ а б Уайт, Джон Дж .; 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. DOI : 10.1098 / rstb.1986.0056 . PMID 22462104 .
- ^ Хаят, М. Ариф (2000). Принципы и методы сканирующей электронной микроскопии. Биологические приложения, четвертое издание . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521632874.
- ^ Бриггман, Кевин Л .; Дэви Д. Бок (2012). «Объемная электронная микроскопия для реконструкции нейронных цепей» (PDF) . Текущее мнение в нейробиологии . 22 (1): 154–161. DOI : 10.1016 / j.conb.2011.10.022 . PMID 22119321 .
- ^ Заальфельд, Стефан, Альберт Кардона, Фолькер Хартенштейн и Павел Томанчак (2009). «CATMAID: набор инструментов для совместной работы с аннотациями для огромных объемов данных изображений» . Биоинформатика . 25 (15): 1984–1986. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btp266 . PMC 2712332 . PMID 19376822 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Чкловский, Дмитрий Б., Шив Виталадевуни и Луис К. Шеффер. (2010). «Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с помощью электронной микроскопии» . Текущее мнение в нейробиологии . 20 (5): 667–675. DOI : 10.1016 / j.conb.2010.08.002 . PMID 20833533 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Джейсон Пипкин (8 октября 2020 г.). «Коннекомы: отображение разума мухи» . Elife Sciences.
- ^ «Инструменты анализа для коннектомики» . Медицинский институт Говарда Хьюза.
- ^ Баргманн, Корнелия И. (2012). «За пределами коннектома: как нейромодуляторы формируют нейронные цепи» . BioEssays . 34 (6): 458–465. DOI : 10.1002 / bies.201100185 . PMID 22396302 .