שחזור בקנה מידה גדול ועצמאי, Clustering משוחדת בהתבסס על מדדי מורפולוגי לסווג נוירונים באוכלוסיות סלקטיבי

הנוירואנטומיה הוא אחד היסודות של מדעי המוח ¹ וריבית האחרונה "connectomics" חדש התלהבות להבנת המגוון מורפולוגיים של אוכלוסיות נוירונים ואת הקשרים בין הנוירונים ספציפיים ^2. שיטות תיוג ונוירונים בשחזור השתפרו מאוד עם החידושים האחרונים, כולל מעקב במעגל גנטיים וירוס בתיווך גישות ^{3, 4,} מה שמאפשר סקרים מורפולוגיים מקיפה יותר של אוכלוסיות נוירונים ^5. בנוסף לשיפורי תיוג נוירונים בודדים, טכניקות ניתוח נתונים כמותיים גם התבררו כי יש לאפשר סיווג עצמאי ובלתי משוחד של נוירונים לתוך תת-אוכלוסיות נבדלות זה מזה המבוססים על נתונים מורפולוגיים ^{5, 6.} טכניקות בלתי משוחדות אלה מהוות שיפור על יותר traditional שיטות סיווג איכותיים להיות הסטנדרט בתחום במשך יותר ממאה שנה. מטרת מחקר זה היא לתאר, צעד אחר צעד, את השילוב של תיוג בתיווך וירוס של נוירונים בתוך אוכלוסייה סלקטיבית, שחזורים בקנה מידה גדולה של מדגם מקיף של הנוירונים האלה, וניתוח נתונים כמותיים על בסיס אשכולות עצמאיים עם הערכות סטטיסטיות. על ידי שילוב של שיטות אלה, אנו המתאר גישה חדשנית כלפי לאיסוף והניתוח של נתוני neuroanatomical כדי להקל דגימה מקיפה וסיווג משוחד של סוגי נוירונים ייחודיים מורפולוגית בתוך אוכלוסייה עצבית סלקטיבית.

כדוגמא אחת מהשיטות הללו, אנו מתארים את הניתוח שלנו של אוכלוסייה גדולה של נוירונים בתוך מגזר אחד של גרעין רשתי התלמוס (הטורנירים) של קוף מקוק. נתונים אלו הם ממחקר לפני ^7. שיטות תיוג סלקטיבי נוירונים טורנירים מקרינים על גב lateraגרעין l ברך של התלמוס (dLGN) באמצעות הזרקה כירורגית של וירוס כלבת שונה קידוד ^{4 EGFP, 8} (ראה טבלה של חומרים / ציוד ספציפי, שורה 2) מפורטים. נגיף הכלבת שונה זה חסר את הגן המקודד חלבון מעיל חיוני, ביטול התנועה טרנס-סינפטיים של הנגיף. לאחר הנגיף נכנס מסוף האקסון באזור הזריקה, הוא מתנהג כמו נותב מסורתי מדרדר עם היתרון החשוב של נהיגת ביטוי EGFP ברחבי arborization הדנדריטים המלא של נוירונים נגועים ^{5, 9, 10.} בהתאם לכך, נגיף כלבת G-deleted זה יכול להיות מנוצל כדי להדביק באופן סלקטיבי לתייג כל אוכלוסייה עצבית לאחר הזרקה ותחבורה מדרדרת.

על מנת לבצע ניתוח מקיף של אוכלוסייה עצבית ספציפית, חשוב לדגוםבעל פיזור גדול של נוירונים בתוך האוכלוסייה. בגלל הטכניקה תיוג בתיווך וירוס מייצרת תאיים שלם, "Golgi דמוי" ממלא של נוירונים רבים עם אקסונים באזור הזריקה וירוס, אפשר לשחזר מדגם גדול מאוד של נוירונים בתוך מלוא היקף מבנה המוח. בנוסף, מאחר וירוס הכלבת השונה כל כך יעיל מדביק ולמתג מספר גדול של נוירונים, אפשר לשחזר מאה נוירונים לכל בעלי חיים. נהלי דגימת 160 נוירונים בכל המגזר החזותי של הטורנירים ¹¹ על מנת לייצר מדגם מקיף של נוירונים טורנירי dLGN-מקרין מתוארים. התהליך של שחזור נוירונים בודדים באמצעות מערכת שיקום נוירון כולל מיקרוסקופ, מצלמה, ותוכנות שחזור מתואר. כמו כן תאר שיטות כדי לקבוע עמדות של נוירונים בודדים בתוך מבנה מוח (במקרה זה בתוך הטורנירים) וכדי לאמת לשבת הזרקת וירוסנפח דואר ומיקום בתוך מבנה (במקרה זה בתוך dLGN) באמצעות שחזורים מתאר נפח. צעדים לייצא נתונים מורפולוגיים ולבצע אשכול עצמאית וניתוחים המבוססים על מדדים מורפולוגיים נמדד עבור כל נוירון מתוארים. ישנן מגבלות על שיטות אשכולות ויש גם מגוון של אלגוריתמים באשכולות שונים זמין. בהתאם לכך, אפשרויות אלה ואת היתרונות של חלק האלגוריתמים יותר נפוצים מתוארות. מניתוח האשכולות אינו מספק אימות סטטיסטית הייחודיות של אשכולות. לכן, צעדים נוספים מתוארים לאמת אשכולות אופטימליים כמו גם את היחסים בין נתונים מורפולוגיים בתוך ועל פני אשכולות. שיטות סטטיסטיות להערכת אשכולות של בסיס נתוני הטורנירים כדי לאשר נוירונים טורנירים מקובצים שלושה אשכולות ייחודיים המבוססים על 10 מדדי מורפולוגיים עצמאיים מתוארות.

לכן, על ידי בהתוויית צעדי תיוג סלקטיביבתהליך שיקום, וניתוח נתונים מורפולוגיים מאוכלוסייה עצבית ספציפית, אנו מתארים שיטות לכימות הבדלים מורפולוגיים בין הנוירונים בתוך אוכלוסייה. ממצאים קודמים של סוגי נוירונים ברורים בתוך המגזר החזותי של טורנירי קוף מקוק הם אשרו עם שיטות הערכה סטטיסטיות נפרדות. ביחד, אנו מקווים הטכניקות הללו תהיינה חל רחב למערכות נתוני neuroanatomical ולעזור להקים סיווג כמותי של מגוון אוכלוסיות נוירונים דרך המוח.