القياس الكمي للعمود الفقري التغصني باستخدام برنامج إعادة بناء الخلايا العصبية ثلاثي الأبعاد التلقائي

الأشواك المتغصنة هي نتوءات من التشعبات غالبا ما تتكون من موقع ما بعد المشبكي للمشابك العصبية الجلوتاماتية ^1,2. تعتبر الأشواك المتغصنة ذات أهمية خاصة في مجال اللدونة المشبكية. غالبا ما يتم تغيير العمود الفقري عندما تتغير القوة المشبكية ، وتصبح أكبر وأقوى في التقوية المشبكية طويلة المدى أو أصغر وأضعف في الاكتئاب المشبكي طويل المدى^{3،4،5،6،7}. ما وراء اللدونة المشبكية ، يتغير ملف تعريف العمود الفقري التغصني طوال العمر. في التطور المبكر ، هناك فترة من تكوين العمود الفقري الشجيري ونموه ، يليه تقليم العمود الفقري التغصني حتى الوصول إلى حالة مستقرة^8،9،10. في شيخوخة الدماغ ، يصاحب فقدان العمود الفقري انكماش الدماغ والتدهور المعرفي¹¹. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز العديد من الاضطرابات العصبية والتنكسية العصبية والنفسية بأشواك شجيرية شاذة. تحتوي مناطق الدماغ المتعددة لدى الأفراد المصابين بالفصام على عدد أقل من الأشواك المتغصنة ، ومن المحتمل أن تكون ناتجة عن التقليم المشبكي^{المتشابكي المتغير 12}. تتميز اضطرابات طيف التوحد أيضا بأمراض العمود الفقري التغصني¹³. فقدان العمود الفقري التغصني هو السمة المميزة لكل من مرض الزهايمر ومرض باركنسون^14,15. بالنظر إلى المجموعة الواسعة من الموضوعات البحثية التي تشمل التحقيقات في خصائص العمود الفقري التغصني ، فإن تقنيات القياس الكمي الدقيق للعمود الفقري لها أهمية قصوى.

يعد التلوين ، أي طريقة جولجي ، أو تسمية الخلايا العصبية عن طريق ملء الصبغة أو التعبير عن البروتينات الفلورية طرقا شائعة لتصور العمود الفقري التغصني^16،17،18. بمجرد تصورها ، يمكن تحليل العمود الفقري مع مجموعة متنوعة من عملاء البرامج المجانية والمتاحة تجاريا. يعد الناتج المطلوب من التحليل عاملا مهما في تحديد البرنامج الأكثر استخداما. فيجي هي خيار برمجي قابل للتطبيق للأسئلة التي تتمحور حول كثافة العمود الفقري التغصني. ومع ذلك ، تعتمد هذه التقنية إلى حد كبير على العد اليدوي الذي يستغرق وقتا طويلا والذي يمكن أن يؤدي إلى إمكانية التحيز. تسمح المكونات الإضافية الجديدة مثل SpineJ بالقياس الكمي التلقائي ، بالإضافة إلى السماح بتحليل أكثر دقة لرقبة^{العمود الفقري 19}. عيب هذه الأساليب هو فقدان تحليل ثلاثي الأبعاد لتحديد حجم العمود الفقري ، حيث يقتصر SpineJ على مكدسات الصور ثنائية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك ، يصبح الحصول على معلومات النوع الفرعي للعمود الفقري أمرا صعبا عبر هذه العمليات. الأنواع الفرعية الأربعة السائدة في العمود الفقري ، رقيقة ، فطر ، قصير ، وفيلوبوديا ، كلها تشير إلى وظائف فردية وتصنف إلى حد كبير عبر التشكل²⁰. تتميز الأشواك الرفيعة برقبة ممدودة ورأس محدد²¹. أشواك الفطر لها رأس عمود فقري أكبر بكثير^{وواضح 22}. العمود الفقري القصير قصير وله تباين ضئيل بين الرأس والرقبة²³. Filopodia هي أشواك غير ناضجة ذات رقبة طويلة ورفيعة ولا يمكن ملاحظتها بشكل واضح²⁴. بينما يوفر التصنيف معلومات قيمة ، توجد الأشواك على سلسلة متصلة من الأبعاد. يعتمد التصنيف إلى فئات على نطاقات القياسات المورفولوجية^25,26. إن قياس العمود الفقري يدويا للتصنيف يضاعف العبء اللوجستي للباحثين في هذا النهج.

تعد خيارات البرامج الأخرى التي تركز بشكل خاص على تحليل العمود الفقري التغصني ثلاثي الأبعاد أكثر ملاءمة للتحقيقات في حجم العمود الفقري وخصائص النوع الفرعي^{27،28،29،30،31}. على الرغم من الصعوبة التي يمثلها التحليل ثلاثي الأبعاد ، مثل ضعف دقة المستوى z والتشويه ، فإن خيارات البرامج هذه تسمح بإعادة بناء ثلاثية الأبعاد موثوقة للزوائد الشجيرية والعمود الفقري التغصني بطريقة شبه آلية موجهة من المستخدم. يعد التصنيف التلقائي للأشواك المحددة في أنواعها الفرعية أيضا ميزة موجودة في بعض حزم برامج تحليل العمود الفقري هذه. هذا يمكن أن يخفف من المخاوف من عبء العمل المحتمل والتحيز التجريبي. Neurolucida 360 هو أحد البرامج المتاحة تجاريا مما يسمح بتحديد وتصنيف العمود الفقري الشجيري ثلاثي الأبعاد الموثوق به والقابل للتكرار³². هنا ، نقدم بروتوكولا شاملا لإعداد الأنسجة الثابتة بشكل فعال ، والحصول على الصور ، وفي النهاية تحديد وتصنيف العمود الفقري التغصني باستخدام هذا البرنامج.