ניתוח אוטומטי של מורפולוגיה Sholl העצבית סרוקים בקני מידה מרובים
Summary
פיתחנו תוכנת מחשב לנתח מורפולוגיה עצביים. בשילוב עם שני כלים הקיימים ניתוח קוד פתוח, התוכנית שלנו מבצעת ניתוח Sholl וקובע את מספר neurites, נקודות הסניף, וטיפים neurite. הניתוחים מבוצעים כך שינויים מקומיים במורפולוגיה neurite ניתן לצפות.
Abstract
מורפולוגיה העצבית ממלאת תפקיד משמעותי בקביעת כיצד נוירונים לתפקד ולתקשר 1-3. באופן ספציפי, זה משפיע על היכולת של נוירונים לקבל כניסות מ 2 תאים אחרים ותורם להפצת הפוטנציאלים פעולה 4,5. המורפולוגיה של neurites גם משפיע על אופן מידע מעובד. המגוון של מורפולוגיות דנדריט להקל איתות מגוון המקומי ארוכה ולאפשר נוירונים בודדים או קבוצות נוירונים לבצע פונקציות מיוחדות בתוך הרשת העצבית 6,7. שינויים במורפולוגיה דנדריט, כולל פיצול של דנדריטים שינויים בדפוסי הסתעפות, נצפו כמה מדינות המחלה, כולל מחלת אלצהיימר 8, סכיזופרניה 9,10, ופיגור שכלי 11. היכולת הן להבין את הגורמים המעצבים את מורפולוגיות דנדריט ולזהות שינויים מורפולוגיות דנדריט חיונית להבנת תפקוד מערכת העצבים בתפקוד.
מורפולוגיה Neurite מנותח לעתים קרובות על ידי ניתוח Sholl ועל ידי ספירת neurites ומספר טיפים הסניף. ניתוח זה מיושם בדרך כלל דנדריטים, אבל זה יכול להיות מיושם גם אקסונים. ביצוע הניתוח הזה ביד היא גם זמן רב ובסופו של דבר מציג השתנות עקב ההטיה הניסוי ואת חוסר העקביות. התוכנית מדורה היא גישה חצי אוטומטיות ניתוח של דנדריט ומורפולוגיה האקסון שבונה על קוד פתוח כלים זמינים ניתוח מורפולוגי. התוכנית שלנו מאפשרת זיהוי של שינויים מקומיים דנדריט ו האקסון הסתעפות התנהגויות על ידי ביצוע ניתוח Sholl על אזורי המשנה של סוכת מדלקת עצבים. לדוגמה, ניתוח Sholl מבוצע על הנוירון הן כולה, כמו גם על כל תת קבוצה של תהליכים (יסודי, תיכון, מסוף שורש וכו ') דנדריט ו דפוסים האקסון מושפעת ממספר גורמים תאיים תאית, רבים משחק מקומי. לפיכך, מורפולוגיה סוכת וכתוצאה מכך הוא תוצאה של תהליכים ספציפיים פועל neurites ספציפיים, מה שהופך אותו צורך לבצע ניתוח מורפולוגי בקנה מידה קטן יותר על מנת לבחון אלו וריאציות מקומיות 12.
התוכנית מדורה מחייב שימוש של שני קוד פתוח כלי ניתוח, את התוסף NeuronJ כדי ImageJ ו NeuronStudio. נוירונים הם התחקה ImageJ ו NeuronStudio משמש כדי להגדיר את הקישוריות בין neurites. מדורה מכיל מספר סקריפטים מותאמים אישית נכתב MATLAB (MathWorks) המשמשים כדי להמיר את הנתונים לפורמט המתאים לניתוח נוסף, לבדוק שגיאות המשתמש, ובסופו של דבר לבצע ניתוח Sholl. לבסוף, נתונים מיוצאים לתוך Excel לניתוח סטטיסטי. תרשים זרימה של התוכנית מדורה מוצג באיור 1.
Protocol
Discussion
התוכנית היא תוכנית מדורה חצי אוטומטי לניתוח דנדריט ומורפולוגיה האקסון. זה מגדיל מאוד את היעילות ואת הדיוק של ניתוח Sholl על ביצוע ניתוח באופן ידני. בנוסף, התוכנית מדורה שומר את הנתונים בכל שלב של התהליך, כך שניתן הביקורת את הנתונים כדי לזהות את הדיוק של הניתוח. לכן, המשי?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי בוש ביו גרנט, NSF מענק IBN-0548543, NSF מענק IBN-0919747, מצעד הפרוטות קרן גרנט 1-107-FY04, מצעד הפרוטות קרן גרנט 1-464-FY08 (עד BLF). MKK ו CGL נתמכו על ידי NIH ביוטכנולוגיה הדרכה גרנט GM008339 T32-20, ו CGL נתמכה גם על מלגת מחקר חוט השדרה Predoctoral 08-2941-SCR-E-0 על ידי ועדת ניו ג'רזי.
Materials
| Material Name | Typ | 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 |
Referenzen
- Elston, G. N. Pyramidal cells of the frontal lobe: all the more spinous to think with. J Neurosci. 20, (2000).
- Koch, C., Segev, I. The role of single neurons in information processing. Nat Neurosci. , 1171-1177 (2000).
- Poirazi, P., Mel, B. W. Impact of active dendrites and structural plasticity on the memory capacity of neural tissue. Neuron. 29, 779-796 (2001).
- 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).
- Vetter, P., Roth, A., Hausser, M. Propagation of action potentials in dendrites depends on dendritic morphology. J Neurophysiol. 85, 926-937 (2001).
- Hausser, M., Spruston, N., Stuart, G. J. Diversity and dynamics of dendritic signaling. Science. 290, 739-744 (2000).
- Brette, R. Simulation of networks of spiking neurons: a review of tools and strategies. J Comput Neurosci. 23, 349-398 (2007).
- 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. Neurowissenschaften. 19, 1265-1278 (1986).
- Harrison, P. J. The neuropathology of schizophrenia. A critical review of the data and their interpretation. Brain. 122, 593-624 (1999).
- 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).
- Kaufmann, W. E., Moser, H. W. Dendritic anomalies in disorders associated with mental retardation. Cereb Cortex. 10, 981-991 (2000).
- 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).
- Firestein, B. L. Cypin: a cytosolic regulator of PSD-95 postsynaptic targeting. Neuron. 24, 659-672 (1999).
