多尺度数字化神经元形态的自动Sholl分析

摘要

我们开发了一款用于分析神经元形态的计算机程序。结合两种现有的开源分析工具，该程序可进行Sholl分析，并确定神经突的数量、分支点数量以及神经突末端数量。这些分析能够揭示神经突形态的局部变化。

摘要

神经元形态在决定神经元功能和通讯方式方面起着重要作用^1-3。具体而言，它影响神经元接收其他细胞输入信号的能力²，并参与动作电位的传导^4,5。神经突的形态还影响信息的处理方式。树突形态的多样性有助于局部和长距离信号传递，使单个神经元或神经元群体能够在神经网络中执行特定功能^6,7。在多种疾病状态下，已观察到树突形态发生改变，包括树突断裂和分支模式的变化，这些疾病包括阿尔茨海默病⁸、精神分裂症^9,10和智力障碍¹¹。深入了解塑造树突形态的因素，并识别树突形态的变化，对于理解神经系统的正常功能与功能障碍至关重要。

神经突形态通常通过Sholl分析以及计数神经突数量和分支末端数量来进行分析。该分析通常应用于树突，但也可用于轴突。手动进行此类分析既耗时，又不可避免地因实验者的主观偏见和操作不一致而引入变异性。Bonfire程序是一种半自动化的树突和轴突形态分析方法，其建立在现有开源形态分析工具的基础之上。我们的程序通过对神经突树的不同亚区域进行Sholl分析，从而检测树突和轴突分支行为的局部变化。例如，Sholl分析不仅针对整个神经元进行，还针对各子集的突起（初级、次级、末端、根部等）分别进行。树突和轴突的模式受到多种细胞内和细胞外因素的影响，其中许多因素具有局部作用。因此，最终的神经突树形态是特定过程作用于特定神经突的结果，这就需要在更小的尺度上进行形态学分析，以观察这些局部差异¹²。

Bonfire 程序需要使用两种开源分析工具：ImageJ 的 NeuronJ 插件和 NeuronStudio。神经元在 ImageJ 中进行追踪，而 NeuronStudio 用于定义神经突之间的连接关系。Bonfire 包含多个使用 MATLAB（MathWorks）编写的自定义脚本，用于将数据转换为适合进一步分析的格式、检查用户错误，并最终执行 Sholl 分析。最后，数据被导出至 Excel 进行统计分析。图 1展示了 Bonfire 程序的流程图。

方案

1. 开始前准备：

1）E18 大鼠解剖：

E18海马神经元的标准解剖方法已有文献报道¹³。为了使用Bonfire程序分析神经突的形态学特征，必须获取单个神经元的8位.tif图像。具体实现方法可根据所采用的实验方案而定。可通过将神经元以足够低的密度接种，使单个神经元出现在显微镜视野中。或者，对于在高密度培养条件下生长的单个神经元，可采用多种转染方法将其转染表达荧光蛋白的质粒，以实现成像。

2) 软件需求与安装：

1. 为了运行 Bonfire 程序，必须在计算机上安装 NIH 提供的 ImageJ 软件中的 NeuronJ 插件以及 NeuronStudio。相关软件包可通过以下网站获取：
   ImageJ - http://rsbweb.nih.gov/ij/
   NeuronJ - http://www.imagescience.org/meijering/software/neuronj/
   NeuronStudio -

讨论

Bonfire 程序是一种用于分析树突和轴突形态的半自动化软件。与手动分析相比，它显著提高了Sholl分析的效率和准确性。此外，Bonfire 程序会在分析过程的每一步保存数据，从而可以对数据进行审计并验证分析结果的准确性。因此，数据分析任务可分配给多个操作人员，而不会影响分析的准确性。最后，通过在图像的子区域上执行分析，该程序能够识别出仅对整个树突或轴突分支结构进行Sholl分析时容易遗漏的局部分支变化。我们的程序能够确定特定亚群神经突相对于细胞体的空间排布方式。因此，Bonfire 程序生成的数据能够很好地反映图像中的分支模式。

....

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
NeuronJ 插件			http://www.imagescience.org/meijering/software/neuronj/
ImageJ 软件			http://rsbweb.nih.gov/ij/
Bonfire 程序			http://lifesci.rutgers.edu/~firestein
NeuronStudio			http://research.mssm.edu/cnic/tools-ns.html
MatLab 程序	Mathworks