Summary

肖尔自动数字化的神经元形态分析,多尺度

Published: November 14, 2010
doi:

Summary

我们已经开发出一种计算机程序来分析神经元的形态。在两个现有的开源分析工具的结合,我们的计划执行肖尔,分析和确定的突起,分支点和突起的提示。进行分析,使地方在突起的形态变化可以观察。

Abstract

神经元的形态起着重要作用,决定神经元功能和沟通 1-3 。具体来说,它会影响神经元接收来自其他细胞的投入能力 2的动作电位 4,5的传播作出贡献。也影响了信息处理的突起的形态。树突形态的多样性,促进本地和远距离信号,并允许单个神经元或神经组进行6,7神经网络内专门的职能。在枝晶形态的改变,包括树突分支模式的变化的碎片,已经观察到在一些疾病状态,其中包括阿尔茨海默氏 ,精神分裂症9,10, 精神发育迟滞11。既了解形状枝晶形貌的因素,并确定在枝晶形貌变化的能力是在神经系统的功能和功能障碍的认识至关重要。

突起的形态往往是分析肖尔分析和计算突起和枝梢。这种分析是普遍适用的树突,但它也可以应用到轴突。手工执行这个分析既耗时,不可避免地引入了变异由于实验者的偏见和不一致。篝火方案是一个半自动化的枝蔓和轴突形态时提供开放源码的形态分析工具为基础的分析方法。我们的计划,使当地在枝蔓和轴突分支行为的变化神经炎乔木的分区域执行肖尔分析检测。例如,肖尔分析是神经元树突和轴突的图案是由许多细胞内外因素的影响,在每个进程的一个子集(小学,中学,终端,根等),以及作为一个整体,许多署理本地。因此,由此产生的乔木形态,是一种作用于特定的突起,因此有必要执行规模较小的形态分析, 观察这12个地方差异的具体进程的结果。

篝火程序需要使用两个开源分析工具,NeuronJ插件ImageJ和NeuronStudio。神经元追踪ImageJ,NeuronStudio是用来定义突起之间的连接。篝火包含在MATLAB(MathWorks公司)编写的自定义脚本是用来作进一步的分析数据转换成相应的格式,请检查用户的错误,并最终执行肖尔分析。最后,数据导出到Excel进行统计分析。一个篝火程序的流程图如图1所示。

Protocol

1。开始之前: 1)E18大鼠夹层: E18海马神经元的标准清扫方法以前曾描述 13 。为了使用篝火方案的突起的形态特征进行分析,8位。TIF的单个神经元的图像,必须获得。这可以实现的方式取决于你下面的实验协议。神经元可镀在一个足够低的密度,使单个神经元出现在显微镜领域。另外,图像,是生长在一个密集的文化的单个神经元,神经元可转?…

Discussion

篝火方案是一个半自动化的方案,枝蔓和轴突形态分析。这大大增加了超过手动执行分析肖尔分析的效率和准确性。此外,篝火程序保存在每一步的过程数据,从而有可能审核数据,并验证了分析的准确性。因此,数据分析的任务可以被分配给许多个人,而不影响精度。最后,由执行上的图像分区域进行分析,该方案是能够识别肖尔分析仅仅是对整个枝蔓或轴突乔木运行时错过当地的分支。我们?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作是支持部分由一个生物医学布希批准,美国国家科学基金会资助IBN – 0548543,美国国家科学基金会资助IBN – 0919747,优生优育基金会基金会赠款1 – 2004财年的107的3月,三月优生优育基金会基金会赠款1 – 2008财年的464(BLF)。由美国国立卫生研究院生物技术培训津贴T32 GM008339 – 20 MKK和CGL的支持,CGL的是由新泽西州委员会也支持脊髓研究Predoctoral奖学金08 – 2941 – SCR – E – 0。

Materials

Material Name Type Company Catalogue Number Comment
NeuronJ plugin       http://www.imagescience.org/meijering/software/neuronj/
ImageJ software       http://rsbweb.nih.gov/ij/
Bonfire program       http://lifesci.rutgers.edu/~firestein
NeuronStudio       http://research.mssm.edu/cnic/tools-ns.html
MatLab Program   MathWorks    

References

  1. Elston, G. N. Pyramidal cells of the frontal lobe: all the more spinous to think with. J Neurosci. 20, (2000).
  2. Koch, C., Segev, I. The role of single neurons in information processing. Nat Neurosci. , 1171-1177 (2000).
  3. Poirazi, P., Mel, B. W. Impact of active dendrites and structural plasticity on the memory capacity of neural tissue. Neuron. 29, 779-796 (2001).
  4. Schaefer, A. T., Larkum, M. E., Sakmann, B., Roth, A. Coincidence detection in pyramidal neurons is tuned by their dendritic branching pattern. J Neurophysiol. 89, 3143-3154 (2003).
  5. Vetter, P., Roth, A., Hausser, M. Propagation of action potentials in dendrites depends on dendritic morphology. J Neurophysiol. 85, 926-937 (2001).
  6. Hausser, M., Spruston, N., Stuart, G. J. Diversity and dynamics of dendritic signaling. Science. 290, 739-744 (2000).
  7. Brette, R. Simulation of networks of spiking neurons: a review of tools and strategies. J Comput Neurosci. 23, 349-398 (2007).
  8. Arendt, T., Zvegintseva, H. G., Leontovich, T. A. Dendritic changes in the basal nucleus of Meynert and in the diagonal band nucleus in Alzheimer’s disease–a quantitative Golgi investigation. 神经科学. 19, 1265-1278 (1986).
  9. Harrison, P. J. The neuropathology of schizophrenia. A critical review of the data and their interpretation. Brain. 122, 593-624 (1999).
  10. Lewis, D. A., Glantz, L. A., Pierri, J. N., Sweet, R. A. Altered cortical glutamate neurotransmission in schizophrenia: evidence from morphological studies of pyramidal neurons. Ann N Y Acad Sci. 1003, 102-112 (2003).
  11. Kaufmann, W. E., Moser, H. W. Dendritic anomalies in disorders associated with mental retardation. Cereb Cortex. 10, 981-991 (2000).
  12. Georges, P. C., Hadzimichalis, N. M., Sweet, E. S., Firestein, B. L. The yin-yang of dendrite morphology: unity of actin and microtubules. Mol Neurobiol. 38, 270-284 (2008).
  13. Firestein, B. L. Cypin: a cytosolic regulator of PSD-95 postsynaptic targeting. Neuron. 24, 659-672 (1999).
check_url/cn/2354?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Kutzing, M. K., Langhammer, C. G., Luo, V., Lakdawala, H., Firestein, B. L. Automated Sholl Analysis of Digitized Neuronal Morphology at Multiple Scales. J. Vis. Exp. (45), e2354, doi:10.3791/2354 (2010).

View Video