自動三次元ニューロン再構成ソフトウェアによる樹状突起スパインの定量化

樹状突起スパインは樹状突起の突起であり、しばしばグルタミン酸作動性シナプスのシナプス後部位を構成する^1,2。樹状突起スパインは、シナプス可塑性の分野で特に興味深いものです。棘は、シナプスの強度が変化するとしばしば変化し、長期のシナプス増強では大きくて強くなり、長期的なシナプス抑制では小さくて弱くなります3,4,5,6,7。シナプス可塑性を超えて、樹状突起スパインのプロファイルは生涯を通じて変化します。初期の発達では、樹状突起スパインの形成と成長の期間があり、その後、定常状態に達するまで樹状突起スパインの剪定が行われます^8,9,10。老化した脳では、脊椎の喪失は脳の萎縮と認知機能の低下を伴います¹¹。さらに、多くの神経学的、神経変性、および精神医学的障害は、異常な樹状突起棘によって特徴付けられます。統合失調症に罹患した個人の複数の脳領域は樹状突起棘が少なく、これはおそらくシナプス刈り込みの変化に起因する¹²。自閉症スペクトラム障害は、樹状突起脊椎の病状によっても特徴付けられます¹³。樹状突起脊椎の喪失は、アルツハイマー病とパーキンソン病の両方の特徴です^14,15。樹状突起スパインの特性の調査を含む幅広い研究トピックを考えると、正確なスパイン定量化の技術は最も重要です。

染色、すなわちゴルジ法、または色素充填または蛍光タンパク質の発現によるニューロンの標識は、樹状突起スパインの可視化のための一般的な方法である16,17,18。可視化されたスパインは、無料および市販のさまざまなソフトウェアクライアントで解析できます。分析の望ましい出力は、どのソフトウェアが最も使用されるかを決定する重要な要素です。フィジーは、樹状突起スパイン密度を中心とした問題に対する実行可能なソフトウェアオプションです。ただし、この手法は、バイアスの可能性をもたらす可能性のある時間のかかる手動カウントに大きく依存しています。SpineJなどの新しいプラグインでは、自動定量化が可能になり、さらにより正確な脊椎頸部分析が可能になります¹⁹。これらのアプローチの欠点は、SpineJが2次元の画像スタックに限定されているため、脊椎の体積を決定するための3次元分析が失われることです。さらに、これらのプロセスを介して脊椎のサブタイプ情報を取得することは困難になります。細い、キノコ、ずんぐりした、糸状足の4つの主要な脊椎サブタイプは、すべて個々の機能を暗示し、形態学²⁰によって大きく分類されます。細い棘は、細長い首と明確な頭²¹によって特徴付けられます。キノコの棘は、はるかに大きく、顕著な背骨の頭^{を持っています22}。ずんぐりした棘は短く、頭と首の間のばらつきがほとんどありません²³。糸状足は未熟な棘で、長くて細い首を持ち、明らかに観察できる頭はありません²⁴。分類は貴重な情報を提供しますが、スパインは連続した次元に存在します。カテゴリーへの分類は、形態学的測定の範囲に基づいています^25,26。分類のためにスパインを手動で測定すると、このアプローチでは研究者の物流上の負担が増します。

特に3次元樹状突起スパイン解析に焦点を当てた他のソフトウェアオプションは、スパインの体積とサブタイプの特性^{27、28、29、30、31}の調査に適しています。3次元解析では、z面の解像度の低さや汚れなどの困難さにもかかわらず、これらのソフトウェアオプションにより、ユーザーガイドによる半自動方式で樹状突起や樹状突起スパインの信頼性の高い3次元再構成が可能になります。同定されたスパインをそのサブタイプに自動的に分類することも、これらのスパイン解析ソフトウェアパッケージの一部に存在する機能です。これにより、潜在的なワークロードと実験バイアスの懸念を改善できます。Neurolucida 360は、信頼性と再現性のある3次元樹状突起脊椎の同定と分類を可能にする市販のソフトウェア1つです³²。ここでは、このソフトウェアを使用して固定組織を効果的に調製し、画像を取得し、最終的に樹状突起スパインを定量および分類するための包括的なプロトコルを紹介します。