$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Korzystając z procedury przedstawionej powyżej, pokazujemy wyniki na dwóch stosach obrazów o różnych rozmiarach, aby pokazać, jak elastyczność narzędzi umożliwia skalowanie procedury do większych zbiorów danych. W tym przypadku dwa zestawy danych 3DEM to (i) szczur P14, kora somatosensoryczna, warstwa VI, 100 μm x 100 μm x 76,4 μm4 i (ii) szczur P60, hipokamp CA1, 7,07 μm x 6,75 μm x 4,73 μm10.
Kroki wstępnego przetwarzania (Rysunek 1) mogą być wykonywane w ten sam sposób dla obu zestawów danych, biorąc pod uwagę, że większy zbiór danych, taki jak pierwszy stos, który ma 25 GB, wymaga bardziej wydajnego sprzętu do obsługi wizualizacji i przetwarzania dużych danych. Drugi stos to tylko 1 GB, z idealnie izotropowym rozmiarem wokseli.
Rozmiar danych może nie być bezpośrednio związany z polem widzenia (FOV), a nie z rozdzielczością samego stosu, która zależy od maksymalnego rozmiaru piksela czujnika mikroskopu i powiększenia stosu. W każdym razie, logicznie rzecz biorąc, większe pola widzenia prawdopodobnie zajmą więcej przestrzeni fizycznej w porównaniu z mniejszymi polami widzenia, jeśli zostaną uzyskane w tej samej rozdzielczości.
Po zaimportowaniu stosu obrazów, jak wskazano w sekcji 1 protokołu, w oprogramowaniu Fidżi (Rysunek 1A), naukowej wersji ImageJ12, ważnym punktem jest upewnienie się, że format obrazu jest 8-bitowy (Rysunek 1B)). Dzieje się tak dlatego, że wiele różnych firm zajmujących się mikroskopią generuje swój zastrzeżony format plików w 16-bitowym formacie do przechowywania metadanych istotnych dla informacji o procesie pozyskiwania (tj. rozmiar piksela, grubość, prąd/napięcie wiązki elektronów, ciśnienie w komorze) wraz ze stosem obrazów. Takie dostosowania pozwalają naukowcom zaoszczędzić pamięć, ponieważ dodatkowe 8-bitowe metadane nie mają wpływu na obrazy. Drugim ważnym parametrem, który należy sprawdzić, jest wielkość woksela, która następnie pozwala na wykonanie rekonstrukcji po segmentacji w odpowiedniej skali (mikrometry lub nanometry; Rysunek 1B).
Stosy mogą wymagać ponownego wyrównania i/lub zszycia, jeśli zostały zdobyte za pomocą kafelkowania; te operacje można wykonać w TrakEM2 (Rysunek 2A), chociaż jeśli chodzi o wyrównanie, zautomatyzowane techniki 3DEM, takie jak FIB-SEM lub 3View, są zazwyczaj dobrze wyrównane.
Ostatni krok wymaga filtrowania i, ewentualnie, próbkowania w dół stosu, w zależności od tego, które obiekty wymagają rekonstrukcji i czy próbkowanie w dół wpływa na rozpoznawanie cech, które można zrekonstruować. Na przykład, w przypadku większego stosu (kory somatosensorycznej szczurów P14) nie było możliwe obniżenie rozdzielczości na korzyść wydajności rekonstrukcji, podczas gdy w przypadku mniejszego stosu (hipokampa CA1 szczurów P60) było to możliwe, ponieważ rozdzielczość była znacznie wyższa niż to, co było potrzebne do rekonstrukcji najmniejszych obiektów. Wreszcie, użycie maski wyostrzającej zwiększa różnicę między membranami a tłem, co sprzyja rekonstrukcjom oprogramowania takiego jak ilastik, które wykorzystuje gradienty do wstępnej oceny granic.
Po przetworzeniu obrazu, rekonstrukcję można przeprowadzić ręcznie za pomocą TrakEM2 lub półautomatycznie za pomocą ilastik (Rysunek 2C). Zestaw danych, taki jak mniejszy wymieniony tutaj (ii), który może być próbkowany w dół, aby zmieścić się w pamięci, może być w pełni podzielony na segmenty za pomocą ilastik (Rysunek 2B) w celu uzyskania gęstej rekonstrukcji. W przypadku pierwszego zestawu danych wymienionego tutaj (i) udało nam się załadować i wstępnie przetworzyć cały zbiór danych za pomocą stacji roboczej Linux z 500 GB pamięci RAM. Rzadką segmentację 16 pełnych morfologii uzyskano za pomocą hybrydowego potoku, poprzez wyodrębnienie zgrubnej segmentacji, która została ręcznie sprawdzona przy użyciu TrakEM2.
Analiza 3D takich cech jak powierzchnia, objętości lub rozkład wewnątrzkomórkowego glikogenu może być przeprowadzona w środowisku Blendera (Rysunek 3) przy użyciu niestandardowych kodów, takich jak NeuroMorph19 lub analiza glikogenu10.
W przypadku zestawów danych zawierających również granulki glikogenu, analizę ich rozkładu można przeprowadzić za pomocą GLAM, kodu C++, który generuje mapy kolorów z obszarem wpływu bezpośrednio na siatce.
Wreszcie, takie złożone zestawy danych mogą być wizualizowane i analizowane za pomocą VR, co okazało się przydatne do analizy zestawów danych z określonym widokiem okludowanym (Rysunek 4). Na przykład, piki wywnioskowane z map GLAM były łatwo wywnioskowane wizualnie z dendrytów w drugim omawianym tutaj zestawie danych.

Rysunek 1: Przetwarzanie obrazu i przygotowanie do segmentacji obrazu. (a) Główny graficzny interfejs użytkownika Fidżi. (b) Przykład skumulowanych obrazów ze zbioru danych (i) omówionych w reprezentatywnych wynikach. Panel po prawej stronie pokazuje właściwości pozwalające użytkownikowi ustawić rozmiar woksela. (c) Przykład operacji filtrowania i zmiany rozmiaru zastosowanej do pojedynczego obrazu. Panele po prawej stronie pokazują powiększenia od środka obrazu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Segmentacja i rekonstrukcja za pomocą TrakEM2 i ilastik. (a) Graficzny interfejs użytkownika TrakEM2 z obiektami ręcznie podzielonymi na segmenty (na czerwono). (b) Maska wyeksportowana z panelu a może być użyta jako dane wejściowe (zalążek) dla (c) półautomatycznej segmentacji (rzeźbienia). Z ilastik maski (czerwone) można dalej eksportować do TrakEM2 w celu ręcznej korekty. (d) Maski można następnie eksportować jako trójkątne siatki 3D, aby odsłonić zrekonstruowane struktury. W tym przykładzie cztery neurony, astrocyty, mikroglej i perycyty ze zbioru danych (i) (omówione w reprezentatywnych wynikach) zostały zrekonstruowane przy użyciu tego procesu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Analiza 3D zrekonstruowanych morfologii przy użyciu niestandardowych narzędzi. (a) Izotropowa zobrazowana objętość ze zbioru danych FIB-SEM (ii) (jak omówiono w reprezentatywnych wynikach). (b) Gęsta rekonstrukcja z panelu a. Szary = aksony; zielony = proces astrocytowy; niebieski = dendryty. c) Mikrografika przedstawiająca przykłady celów do oznaczania ilościowego, takich jak synapsy (i)) i granulki glikogenu astrocytarnego (zbiór danych (ii)) w odpowiednich powiększeniach. (d) Maska z panelu c pokazująca rozkład granulek glikogenu wokół synaps. (e) Kwantyfikacja rozkładu glikogenu na podstawie zestawu danych z panelu c, przy użyciu zestawu narzędzi do analizy glikogenu z Blendera. Paski błędów wskazują błędy standardowe. N = 4,145 granulek glikogenu. (f) Ilustracja graficzna wizualizacji wejściowej i wyjściowej GLAM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Analiza w VR. (a) Użytkownik noszący gogle VR podczas pracy nad (b) gęstą rekonstrukcją ze zbioru danych FIB-SEM (ii) (jak omówiono w reprezentatywnych wynikach). (c) Immersyjna scena VR z podzbioru neurytów z panelu b. Zielony laser wskazuje na szczyt GLAM. d) Przykład analizy na podstawie liczby szczytów GLAM w VR. N = 3 myszy na każdy pasek. Analiza FIB-SEM z poprzedniej publikacji28. Paski błędów wskazują błędy standardowe; *p < 0.1, jednokierunkowa ANOVA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.