Opracowaliśmy program komputerowy do analizy morfologii neuronów. W połączeniu z dwoma istniejącymi narzędziami analitycznymi o otwartym kodzie źródłowym, nasz program przeprowadza analizę Sholla oraz określa liczbę neurytów, punktów rozgałęzień i zakończeń neurytów. Analizy są wykonywane w taki sposób, aby można było obserwować lokalne zmiany w morfologii neurytów.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Zautomatyzowana analiza Sholla zdigitalizowanej morfologii neuronów w wielu skalach
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Morfologia neuronalna odgrywa istotną rolę w określaniu sposobu, w jaki neurony funkcjonują i komunikują się ze sobą1-3. W szczególności wpływa ona na zdolność neuronów do odbierania sygnałów z innych komórek2 oraz przyczynia się do propagacji potencjałów czynnościowych4,5. Morfologia neurytów wpływa również na sposób przetwarzania informacji. Różnorodność morfologii dendrytów ułatwia sygnalizację lokalną i dalekosiężną, umożliwiając pojedynczym neuronom lub grupom neuronów pełnienie wyspecjalizowanych funkcji w obrębie sieci neuronalnej6,7. Zmiany w morfologii dendrytów, w tym fragmentacja dendrytów oraz zmiany w wzorcach rozgałęzień, zostały zaobserwowane w wielu stanach chorobowych, w tym w chorobie Alzheimera8, schizofrenii9,10 oraz w opóźnieniu rozwoju intelektualnego11. Zdolność zarówno do zrozumienia czynników kształtujących morfologię dendrytów, jak i do identyfikacji zmian w tej morfologii, jest niezbędna dla zrozumienia funkcji i dysfunkcji układu nerwowego.
Morfologię neurytów często analizuje się za pomocą analizy Sholla oraz poprzez zliczanie liczby neurytów i liczby zakończeń gałęzi. Analizę tę stosuje się zazwyczaj do dendrytów, ale można ją również zastosować do aksonów. Przeprowadzanie tej analizy ręcznie jest czasochłonne i nieuchronnie wprowadza zmienność wynikającą z błędu eksperymentatora i braku spójności. Program Bonfire jest półautomatycznym podejściem do analizy morfologii dendrytów i aksonów, opartym na dostępnych narzędziach do analizy morfologicznej z otwartym kodem źródłowym. Nasz program umożliwia wykrywanie lokalnych zmian w zachowaniu rozgałęzień dendrytów i aksonów poprzez wykonywanie analizy Sholla w podregionach drzewa neurytów. Na przykład analiza Sholla jest przeprowadzana zarówno dla całego neuronu, jak i dla każdego podzbioru wypustek (pierwotnych, wtórnych, terminalnych, korzeniowych itp.). Na wzorce rozgałęzień dendrytów i aksonów wpływa szereg czynników wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych, z których wiele działa lokalnie. W związku z tym wynikająca morfologia drzewa jest efektem specyficznych procesów oddziałujących na konkretne neuryty, co sprawia, że konieczne jest przeprowadzenie analizy morfologicznej w mniejszej skali, aby zaobserwować te lokalne wariacje12.
Program Bonfire wymaga użycia dwóch otwartoźródłowych narzędzi analitycznych: wtyczki NeuronJ do programu ImageJ oraz programu NeuronStudio. Neurony są śledzone w ImageJ, a NeuronStudio służy do definiowania łączności między neurytami. Bonfire zawiera szereg niestandardowych skryptów napisanych w języku MATLAB (MathWorks), które są wykorzystywane do konwersji danych do odpowiedniego formatu w celu dalszej analizy, sprawdzania błędów użytkownika, a ostatecznie do przeprowadzenia analizy Sholla. Na koniec dane są eksportowane do programu Excel w celu przeprowadzenia analizy statystycznej. Schemat blokowy programu Bonfire przedstawiono na Ryc. 1.
Protokół
1. Przed rozpoczęciem:
1) Disekcja szczura w 18. dniu embrionalnym (E18):
Standardowe metody preparowania neuronów hipokampa E18 zostały opisane wcześniej13. Aby wykorzystać program Bonfire do analizy cech morfologicznych neurytów, należy uzyskać 8-bitowe obrazy .tif pojedynczych neuronów. Można to osiągnąć na kilka sposobów, w zależności od stosowanego protokołu eksperymentalnego. Neurony można wysiać z odpowiednio niską gęstością, tak aby w polu widzenia mikroskopu pojawiły się pojedyncze komórki. Alternatywnie, w celu obrazowania pojedynczych neuronów hodowanych w gęstej kulturze, można przeprowadzić t....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Program Bonfire jest programem półautomatycznym służącym do analizy morfologii dendrytów i aksonów. Znacznie zwiększa on wydajność i dokładność analizy Sholla w porównaniu do przeprowadzania tej analizy ręcznie. Ponadto program Bonfire zapisuje dane na każdym etapie procesu, co umożliwia audyt danych oraz weryfikację dokładności analizy. Dzięki temu zadanie analizy danych można rozdzielić pomiędzy wiele osób bez utraty precyzji. Wreszcie, poprzez przeprowadzanie analizy w podregionach obrazów, program jest w stanie ziden.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają żadnych konfliktów interesów. Agencje finansujące nie brały udziału w opracowaniu Bonfire od strony naukowej.
Podziękowania
Niniejsza praca była częściowo finansowana z grantu Busch Biomedical, grantu NSF IBN-0548543, grantu NSF IBN-0919747, grantu fundacji March of Dimes 1-FY04-107 oraz grantu fundacji March of Dimes 1-FY08-464 (przyznanego B.L.F). M.K.K. oraz C.G.L. otrzymali wsparcie z grantu szkoleniowego NIH Biotechnology Training Grant T32 GM008339-20, a C.G.L. otrzymał również stypendium przeddoktoranckie NJ Commission on Spinal Cord Research 08-2941-SCR-E-0.
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Wtyczka NeuronJ | http://www.imagescience.org/meijering/software/neuronj/ | ||
| Oprogramowanie ImageJ | http://rsbweb.nih.gov/ij/ | ||
| Program Bonfire | http://lifesci.rutgers.edu/~firestein | ||
| NeuronStudio | http://research.mssm.edu/cnic/tools-ns.html | ||
| Program MatLab | Mathworks |
Bibliografia
- 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. , Suppl 3. 1171-1177 (2000).
- Poirazi, P., Mel, B. W.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
