Name: Technologia skanowania 3D łącząca mikroukłady i obrazy mózgu w makroskali w nowatorskim protokole osadzania nakładania się 3D (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 14 s
Description: Poznaj protokół 3D neuro łączący skanowanie 3D z obrazowaniem MRI mózgu myszy, umożliwiający precyzyjne mapowanie struktur neuronalnych w skali makro i mikro. Ta metoda poprawia zrozumienie związku struktura-funkcja w neuroanatomii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

M.S. jest wdzięczny za wsparcie od wszystkich pracowników na kursie informatyki medycznej w Graduate School of Medicine i Faculty of Medicine, i chce podziękować Prof. Tetsuya Takakuwa, Prof. Nobukatsu Sawamoto i Doris Zakian za ich pomocne komentarze. Badanie to zostało wsparte przez Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research oraz przez program Leading Initiative for Excellent Young Researchers (LEADER) dla M.S. z MEXT (Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii). Eksperymenty MRI w tej pracy zostały przeprowadzone na Wydziale Rezonansu Magnetycznego Małych Zwierząt, Centrum Wsparcia Badań Medycznych, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Japonia.

<ol><li>Vogelsberger, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Properties+of+galaxies+reproduced+by+a+hydrodynamic+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation.</a> Nature. 509 (7499), 177-182 (2014).</li>
<li>Zhang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrated+systems+approach+identifies+genetic+nodes+and+networks+in+late-onset+Alzheimer%E2%80%99s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">Integrated systems approach identifies genetic nodes and networks in late-onset Alzheimer’s disease.</a> Cell. 153 (3), 707-720 (2013).</li>
<li>Sporns, O., Chialvo, D. R., Kaiser, M., Hilgetag, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organization%2C+development+and+function+of+complex+brain+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Cognitive+Sciences%22%5BJournal%5D)">Organization, development and function of complex brain networks.</a> Trends in Cognitive Sciences. 8 (9), 418-425 (2004).</li>
<li>Shimono, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-uniformity+of+cell+density+and+networks+in+the+monkey+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Non-uniformity of cell density and networks in the monkey brain.</a> Scientific Reports. 3, 2541(2013).</li>
<li>DeFelipe, J., Jones, E. G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDeFelipe%2C+J+%22Cajal+on+the+Cerebral+Cortex%3A+An+Annotated+Translation+of+the+Complete+Wrings%22">Cajal on the Cerebral Cortex: An Annotated Translation of the Complete Wrings</a>. , Oxford University Press. (1988).</li>
<li>Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKandel%2C+ER+%22Principles+of+Neural+Science%22">Principles of Neural Science</a>. , McGraw-Hill. New York, NY. (2013).</li>
<li>Pine, J. A history of MEA development. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPine%2C+J+%22Advances+in+Network+Electrophysiology%22">Advances in Network Electrophysiology</a>. Taketani, M., Baudry, M. , Springer. New York, NY. 3-23 (2006).</li>
<li>Grienberger, C., Konnerth, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+calcium+in+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Imaging calcium in neurons.</a> Neuron. 73 (5), 862-885 (2012).</li>
<li>Shimono, M., Beggs, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+clusters%2C+hubs%2C+and+communities+in+the+cortical+microconnectome%5BTitle%5D)+AND+%22Cerebral+Cortex%22%5BJournal%5D)">Functional clusters, hubs, and communities in the cortical microconnectome.</a> Cerebral Cortex. 25 (10), 3743-3757 (2014).</li>
<li>Amunts, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BigBrain%3A+An+Ultrahigh-Resolution+3D+Human+Brain+Model%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model.</a> Science. 340, 1472-1475 (2013).</li>
<li>Ali, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rigid+and+non-rigid+registration+of+polarized+light+imaging+data+for+3D+reconstruction+of+the+temporal+lobe+of+the+human+brain+at+micrometer+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Rigid and non-rigid registration of polarized light imaging data for 3D reconstruction of the temporal lobe of the human brain at micrometer resolution.</a> NeuroImage. 181, 235-251 (2018).</li>
<li>Kozai, T. D. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasmall+implantable+composite+microelectrodes+with+bioactive+surfaces+for+chronic+neural+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces.</a> Nature Materials. 11, 1065-1073 (2012).</li>
<li>Kampasi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual+color+optogenetic+control+of+neural+populations+using+low-noise%2C+multishank+optoelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystems+%26+Nanoengineering%22%5BJournal%5D)">Dual color optogenetic control of neural populations using low-noise, multishank optoelectrodes.</a> Microsystems & Nanoengineering. 4 (1), 10(2018).</li>
<li>Hellwig, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+analysis+of+the+local+connectivity+between+pyramidal+neurons+in+layers+2%2F3+of+the+rat+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Biological+Cybernetics%22%5BJournal%5D)">A quantitative analysis of the local connectivity between pyramidal neurons in layers 2/3 of the rat visual cortex.</a> Biological Cybernetics. 82 (2), 111-121 (2000).</li>
<li>Bezgin, G., Reid, A. T., Schubert, D., Kötter, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Matching+spatial+with+ontological+brain+regions+using+Java+tools+for+visualization%2C+database+access%2C+and+integrated+data+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroinformatics%22%5BJournal%5D)">Matching spatial with ontological brain regions using Java tools for visualization, database access, and integrated data analysis.</a> Neuroinformatics. 7 (1), 7-22 (2009).</li>
<li>Holmgren, C., Harkany, T., Svennenfors, B., Zilberter, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pyramidal+cell+communication+within+local+networks+in+layer+2%2F3+of+rat+neocortex%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physiology%22%5BJournal%5D)">Pyramidal cell communication within local networks in layer 2/3 of rat neocortex.</a> The Journal of Physiology. 551 (1), 139-153 (2003).</li>
<li>Boucsein, C., Nawrot, M., Schnepel, P., Aertsen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Beyond+the+cortical+column%3A+abundance+and+physiology+of+horizontal+connections+imply+a+strong+role+for+inputs+from+the+surround%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Beyond the cortical column: abundance and physiology of horizontal connections imply a strong role for inputs from the surround.</a> Frontiers in Neuroscience. 5 (32), 1-13 (2011).</li>
<li>Edelsbrunner, H. Surface reconstruction by wrapping finite point sets in space. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEdelsbrunner%2C+H+%22Discrete+and+Computational+Geometry+-+The+Goodman-Pollack+Festschrift%22">Discrete and Computational Geometry - The Goodman-Pollack Festschrift</a>. Aronov, J. P. B., Basu, S., Sharir, M. , Springer-Verlag. 379-404 (2003).</li>
<li>Roland, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+brain+atlas%3A+For+high%E2%80%90resolution+functional+and+anatomical+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Human brain atlas: For high‐resolution functional and anatomical mapping.</a> Human Brain Mapping. 1 (3), 173-184 (1994).</li>
<li>Johnson, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Waxholm+space%3A+an+image-based+reference+for+coordinating+mouse+brain+research%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Waxholm space: an image-based reference for coordinating mouse brain research.</a> NeuroImage. 53 (2), 365-372 (2010).</li>
<li>Evans, A. C., Janke, A. L., Collins, D. L., Baillet, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+templates+and+atlases%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Brain templates and atlases.</a> NeuroImage. 62 (2), 911-922 (2012).</li>
<li>Okabe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain%2FMINDS%E2%80%93a+new+program+for+comprehensive+analyses+of+the+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy%22%5BJournal%5D)">Brain/MINDS–a new program for comprehensive analyses of the brain.</a> Microscopy. 64 (1), 3-4 (2015).</li>
<li>Shimono, M., Hatano, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+communication+dynamics+on+macro-connectome%2C+and+the+propagation+speed%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Efficient communication dynamics on macro-connectome, and the propagation speed.</a> Scientific Reports. 8 (1), 2510(2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opracowaliśmy nowy protokół o nazwie protokół 3D-NEO, aby połączyć makroskopowe i mikroskopijne skale przestrzenne poprzez nakładanie się na dwie powierzchnie mózgu dokładniej niż wcześniej. Początkowo istniały dwa wyzwania związane z tworzeniem tego protokołu, który umożliwił dokładne nakładanie się na siebie dwóch obrazów powierzchni mózgu i rejestrowanie zdrowej aktywności neuronalnej żywych organizmów. Po pierwsze, konieczne było skuteczne wytarcie roztworu tnącego otaczającego wyekstrahowany mózg po wydobyciu go z c...

Często spotyka się niejednolite wieloskalowe architektury w różnych organizacjach fizycznych i biologicznych1,2. Mózg jest również bardzo niejednolitą i wieloskalową organizacją sieciową3,4. W takich organizacjach sieciowych kodowane są różne funkcje poznawcze, które utrzymują czasowe zmiany wzorców elektrycznych impulsów populacji neuronów w submilisekundowych rozdzielczościach czasowych. Historycznie rzecz biorąc, złożone sieci między neuronami były strukturalnie szczegółowo obserwowane przy użyciu technik barwienia Santiago Ramón y Cajal sprzed ponad 150 lat5. Aby obserwować zachowania grupowe aktywnych neuronów, naukowcy opracowali różne technologie nagrywania6,7,8, a ostatnie znaczące osiągnięcia takich technologii umożliwiły nam rejestrowanie aktywności elektrycznej z ogromnej liczby neuronów jednocześnie. Co więcej, na podstawie takich działań funkcjonalnych naukowcom udało się zrekonstruować sieci interakcji przyczynowych między ogromną liczbą neuronów i ogłosili architekturę topologiczną ich złożonych interakcji "mikrokonektomem"9. Makroskopowe obserwacje mózgu pozwalają również traktować cały mózg jako organizację sieciową, ponieważ wiele obszarów mózgu jest połączonych wieloma wiązkami włókien. Osadzanie mikrokonektomów w globalnej mapie mózgu nadal ma wyraźne ograniczenia w ramach obecnego postępu technologicznego, dlatego ten protokół osadzania jest tak ważny. Istnieje jednak wiele wyzwań związanych z opracowaniem protokołu osadzania. Na przykład, aby zaobserwować aktywność żywych lokalnych obwodów neuronalnych w czysto izolowanych obszarach mózgu, należy wyprodukować wycinki mózgu do zapisów in vitro. Dodatkowo, nagrania z wycinków mózgu do nagrań in vitro są nadal ważnym wyborem z co najmniej dwóch powodów. Po pierwsze, nadal nie jest łatwo obserwować aktywność wielu żyjących pojedynczych neuronów jednocześnie z obszarów mózgu głębszych niż ~1,5 mm i w wysokiej rozdzielczości czasowej (<1 ms). Po drugie, gdy mamy nadzieję poznać wewnętrzną architekturę lokalnego obwodu neuronalnego, musimy zatrzymać wszystkie dane wejściowe pochodzące z zewnętrznych obszarów mózgu, aby wyeliminować czynniki zakłócające. W celu zidentyfikowania kierunków i pozycji wytworzonych wycinków mózgu, konieczne będzie dalsze zintegrowanie pozycji przestrzennych tych wytworzonych wycinków mózgu za pomocą współrzędnych. Istnieje jednak kilka systematycznych i niezawodnych sposobów tworzenia wycinków mózgu w zorganizowany sposób10,11. W tym przypadku wprowadzono nowy protokół korejestracji, wykorzystujący technologię skanowania 3D do badań neuronaukowych w celu zapewnienia protokołu integracyjnego. Protokół ten służy do koordynowania mikro- i makroskal oraz osadzania mikrodanych z matrycą wieloelektrodową (MEA) class12,13 i barwienia danych w makroskopowej przestrzeni MRI za pomocą powierzchni skanowania 3D pobranych mózgów, a także nieinwazyjnie zarejestrowanych mózgów. Co zaskakujące, pokazało to błąd odległości wynoszący tylko ~50 μm jako wartość modu histogramu. W rezultacie, wartości modów minimalnych odległości między dwiema powierzchniami między powierzchnią MRI a zeskanowaną powierzchnią 3D wynosiły prawie 50 μm dla wszystkich sześciu myszy, co jest odpowiednią liczbą przy sprawdzaniu podobieństwa między osobnikami. Typowa szerokość warstwy miała zarejestrowaną aktywność kolców około 300 μm.

<table><tbody><tr><td>Sprężarka powietrza</td><td>Kimura Medical</td><td>KA-100</td><td>Preparat dla zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Mikroskop fluorescencyjny All-in-one</td><td>KEYENCE</td><td>BZ-X710</td><td></td></tr><tr><td>Skrzynka anestezjologiczna</td> Centrum <td>Badań Biologicznych</td><td>RIC-01</td><td>Preparat dla zwierząt do</td></tr><tr><td>systemu anestezjologicznego</td><td>MRM ACOMA Medical Industry</td><td>NS-5000A</td><td>Preparat dla zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Anti-GAD67, klon 1G10.2</td><td>Merk Millipore</td><td>MAB5406</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Calcium Chrolide</td><td>nacalai tesque</td><td>06729-55</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Chlorek choliny</td><td>nacalai tesque</td><td>08809-45</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Zakrzywione kleszcze</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Skalpel do utylizacji</td><td>Kai</td><td>10</td><td></td></tr><tr><td>D-PBS(-) bez Ca i Mg, płyn (10x)</td><td>nacalai tesque</td><td></td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>D(+)-glukozy</td><td>Wako</td><td>049-31165</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Żelatyna</td><td>nacalai tesque</td><td>16605-42</td><td>resekcjonowanie</td></tr><tr><td>koziego przeciwciała anty-mysiego IgG (H + L) o wysokiej adsorpcji krzyżowej przeciwciała drugorzędowego, Alexa Fluor Plus 488</td><td>Invitrogen</td><td>A32723</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>koziego przeciwciała anty-króliczego IgG (H + L) o wysokiej adsorpcji krzyżowej, Alexa Fluor Plus 555</td><td>Invitrogen</td><td>A32732</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Mata grzewcza</td> Centrum <td>Badań Biologicznych</td><td>HM-10</td><td>Przygotowanie zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Kontroler maty grzewczej</td><td>Centrum Badań Biologicznych</td><td>BWT-100A</td><td>Przygotowanie zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>System grzewczy</td><td>SA Instruments</td><td>kompatybilny z MR System ogrzewania małych zwierząt</td><td>Przygotowanie zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Isoflurane</td><td>AbbVie</td><td></td><td>Przygotowanie zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Waporyzator izofluranu</td><td>ACOMA Przemysł medyczny</td><td>MKIIIai</td><td>Przygotowanie zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Krajalnica liniowa</td><td>DOSAKA</td><td>Neo Krajalnica liniowa MT</td><td></td></tr><tr><td>L(+)-kwas askorbinowy Sól sodowa</td><td>Wako</td><td>196-01252</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Sześciowodny magnez Chrolide</td><td>Wako</td><td>135-00165</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>MaxOne Jednodołkowy MEA</td><td>MaxWell Biosystems</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Metalowa szpatułka</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>System monitorowania</td><td>SA Instruments</td><td>Model 1025</td><td>Przygotowanie zwierząt do MRI</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do monitorowania</td><td>SA Instruments</td><td>PC-SAM V.5.12</td><td>Przygotowanie zwierząt do MRI</td></tr><tr><td>Kołyska kompatybilna z MRI</td><td>Bruker BioSpin</td><td>T12812</td><td>Przygotowanie zwierząt do MRI</td></tr><tr><td>Cewka MRI</td><td>Bruker BioSpin</td><td>T9988</td><td>Do oprogramowania do</td></tr><tr><td>operacji MRI MRI</td><td>Bruker BioSpin</td><td>ParaVision 5.1</td><td>Do MRI</td></tr><tr><td>Neo LinearSlicer MT</td><td>D.S.K.</td><td>NLS-MT</td><td></td></tr><tr><td>NeuN (D4G40) XP Sygnalizacja komórkowa mAb królika</td><td></td><td>24307</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Normalna surowica kozia</td><td>Wako</td><td>143-06561</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Chlorek potasu</td><td>Wako</td><td>163-03545</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Glikol polietylenowy Mono-p-izooktylofenylowy eter</td><td>nacalai tesque</td><td>12967-45</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Czuły na nacisk czujnik oddechu</td><td>SA Instruments</td><td>RS-301</td><td>Przygotowanie zwierząt do MRI</td></tr><tr><td>Przedkliniczny skaner MRI</td><td>Bruker BioSpin</td><td>BioSpec 70/20 USR</td><td>do MRI</td></tr><tr><td>Kwas pirogronowy Sól sodowa</td><td>nacalai tesque</td><td>29806-54</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>SKAN w PUDEŁKU</td><td>Open Technologies srl</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sito nożycowe</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> butelka</td><td>TIGERCROWN</td><td>81</td><td>Do skanowania 3D</td></tr><tr><td>SlowFade Gold Antifade Mountant</td><td>Invitrogen</td><td>S36937</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Chlorek sodu</td><td>Wako</td><td>191-01665</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Diwodorofosforan sodu</td><td>Wako</td><td>197-09705</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Wodorowęglan sodu</td><td>Wako</td><td>191-01305</td><td>aCSF</td></tr><tr><td>Wodorosiarczyn sodu</td><td>nacalai tesque</td><td>31220-15</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>Termistorowa sonda temperatury</td><td>SA Instruments</td><td>RTP-101-B, PLTPC-300</td><td>Przygotowanie zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Pasek zębaty</td><td>Bruker BioSpin</td><td>T10146</td><td>Preparat dla zwierząt do rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Skrzydlata igła dożylna</td><td>TERUMO</td><td>SV-23CLK</td><td>Do perfuzji</td></tr><tr><td>1 mol/l-Tris-HCl Roztwór buforowy</td><td>nacalai tesque</td><td>35436-01</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr><tr><td>1 mol/l-Kwas solny</td><td>nacalai tesque</td><td>37314-15</td><td>Do regulacji pH roztworu</td></tr><tr><td>16%-Paraformaldehyd Roztwór wodny</td><td>Mikroskopia elektronowa Nauki</td><td>15710</td><td>Do barwienia immunologicznego</td></tr></tbody></table>

technologia skanowania 3d łącząca mikroukłady i obrazy mózgu w makroskali w nowatorskim protokole osadzania nakładania się 3d

3D Scanning Technology Bridging Microcircuits and Macroscale Brain Images in 3D Novel Embedding Overlapping Protocol

Ludzki mózg, będąc systemem wieloskalowym, posiada zarówno makroskopowe sygnały elektryczne, globalnie płynące wzdłuż grubych wiązek włókien istoty białej, jak i mikroskopijne kolce neuronalne, rozchodzące się wzdłuż aksonów i dendrytów. Obie skale uzupełniają różne aspekty funkcji poznawczych i behawioralnych człowieka. Na poziomie makroskopowym rezonans magnetyczny jest obecnie standardową technologią obrazowania, w której najmniejsza rozdzielczość przestrzenna, rozmiar woksela, wynosi 0,1–1 mm3. Ponadto, na poziomie mikroskopowym, wcześniejsze badania fizjologiczne były świadome niejednorodnej architektury neuronalnej w takich wokselach. Badanie to opracowuje potężny sposób dokładnego osadzania danych mikroskopowych na mapie makroskopowej poprzez łączenie biologicznych badań naukowych z postępem technologicznym w technologii skanowania 3D. Ponieważ technologia skanowania 3D była do tej pory wykorzystywana głównie w inżynierii i projektowaniu przemysłowym, po raz pierwszy została ponownie wykorzystana do osadzenia mikrokonektomów w całym mózgu, zachowując jednocześnie naturalne impulsy w żywych komórkach mózgowych. Aby osiągnąć ten cel, najpierw opracowaliśmy protokół skanowania, aby uzyskać dokładne obrazy 3D żywych bioorganizmów, które z natury są trudne do zobrazowania ze względu na wilgotne i odbijające światło powierzchnie. Po drugie, trenowaliśmy, aby utrzymać prędkość, aby zapobiec degradacji żywej tkanki mózgowej, co jest kluczowym czynnikiem w utrzymaniu lepszych warunków i rejestrowaniu większej liczby naturalnych skoków neuronalnych z aktywnych neuronów w tkance mózgowej. Dwa obrazy powierzchni kory mózgowej, niezależnie wyodrębnione z dwóch różnych modułów obrazowania, a mianowicie MRI i obrazów powierzchni skanera 3D, zaskakująco pokazują błąd odległości wynoszący zaledwie 50 μm jako wartość modową histogramu. Dokładność ta jest porównywalna pod względem skali do mikroskopowej rozdzielczości odległości międzykomórkowych; Jest również stabilny wśród różnych pojedynczych myszy. Ten nowy protokół, 3D-NEO (3D-NEO) Novel Embedding Overlapping (3D), łączy poziomy makroskopowe i mikroskopowe uzyskane przez ten zintegrowany protokół i przyspiesza nowe odkrycia naukowe w celu badania kompleksowych architektur łączności (tj. mikrokonektomu).

Oceniono odległości między powierzchniami kory, uzyskanymi poprzez usuwanie objętości MRI, a powierzchniami uzyskanymi z tomografii 3D wyizolowanych mózgów. Wartości modalne histogramu odległości wynoszą jedynie 55 μm (Rycina 3a). Dodatkowo, gdy kumuluje się histogram od punktu, w którym odległość wynosi zero, wartość skumulowana osiąga 90% całkowitej liczby próbek przy około 300 μm (Rycina 3b). Końcowy histogram odległości międz...

Ten artykuł przedstawia eksperymentalny protokół wykorzystujący technologię skanowania 3D, łączący dwie skale przestrzenne: makroskopową skalę przestrzenną anatomii całego mózgu obrazowaną przez MRI na >100 μm oraz mikroskopijną skalę przestrzenną rozkładów neuronalnych przy użyciu barwienia immunohistochemicznego i systemu wieloelektrodowego oraz innych metod (~10 μm).

Technologia skanowania 3D łącząca mikroukłady i obrazy mózgu w makroskali w nowatorskim protokole osadzania nakładania się 3D

The human brain, being a multiscale system, has both macroscopic electrical signals, globally flowing along thick white-matter fiber bundles, and ...

Protokół ten jest pierwszym, który wprowadził technologię skanowania 3D w dziedzinie badań anatomicznych, a konkretnie neuroanatomicznych, i osiągnął bardzo dokładną wydajność nakładania się. Nakładanie się na siebie neuronów w 3D lub protokół neurologiczny 3D osadza sterylne oczodoły w skali mikro w obrazach mózgu w skali makro i płynnie łączy te różne skale przestrzenne. Musimy również zastosować protokół neurologiczny 3D do ludzkiego rezonansu magnetycznego i pośmiertnego mózgu.Nakładanie się na siebie pozwala nam zidentyfikować znane wzorce kontrastu MRI związane z tym, disease. 3D systemy skanowania są wrażliwe na wodę otaczającą wyekstrahowany bioorganizm, dlatego bardzo ważne jest, aby bardzo dokładnie wycierać wodę. Ponadto zabieg musi być wykonany tak szybko, jak to możliwe.Procedurę tę należy rozpocząć od przygotowania myszy, a także pobrania rezonansu magnetycznego i przygotowania sprzętu zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Drugiego dnia przeciąć skórę głowy wcześniej poddanej eutanazji myszy wzdłuż szwu strzałkowego za pomocą nożyczek chirurgicznych. Użyj nożyczek chirurgicznych, aby przeciąć czaszkę w kierunkach ukośnych od punktu lambda do punktu nieco przed bregm

3d-scanning-technology-bridging-microcircuits-macroscale-brain-images

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Niniejszy protokół opisuje sposób przygotowania i obrazowania w trzech wymiarach tkanki mózgowej zatopionej w żywicy przy użyciu skupionej wiązki jonów oraz skaningowego mikroskopu elektronowego.

Frezowanie wiązką jonową (FIB) i skaningowa mikroskopia elektronowa tkanki mózgowej

Nieniszcząca wizualizacja objętościowa jest możliwa do uzyskania jedynie za pomocą technik tomograficznych, z których najefektywniejszą jest mikrotomografia komputerowa (CT) promieniami rentgenowskimi.

Wysokorozdzielcze obrazowanie 3D Ex-vivo Próbki biologiczne w mikro-tomografii komputerowej (mikro-CT)

Weź stały odcinek tkanki korowej mózgu myszy z aksonami neuronalnymi i dendrytami. Dendryty posiadają wypukłości, znane jako kolce dendrytyczne, które tworzą synapsy z aksonami. Inkubuj tkankę z żelazocyjankiem osmu, który wiąże się z lipidami, a następnie ponownie zastosuj osm, który zwiększa kontrast strukturalny do obrazowania. Barwnik ze związkiem metalu ciężkiego, który wiąże się z makrocząsteczkami i zwiększa kontrast. Odwodnić za pomocą zwiększających się stężeń alkoholu do zatapiania...

Skaningowa mikroskopia elektronowa ze skupioną wiązką jonów do rekonstrukcji 3D neuronów połączonych synaptycznie

Tutaj prezentujemy histologiczną metodę przechwytywania, znakowania, optycznego oczyszczania i obrazowania nienaruszonego interfejsu tkanki mózgowej wokół przewlekle wszczepionych mikrourządzeń w tkance mózgowej gryzoni.  Wyniki technik obejmujących tę metodę są przydatne do zrozumienia wpływu różnych penetrujących implantów mózgowych na otaczające je tkanki.

Nienaruszona charakterystyka histologiczna mikrourządzeń z implantami do mózgu i otaczających tkanek

Ogólnym celem tego protokołu jest dokładne dopasowanie objętości obrazów rezonansu magnetycznego (MRI) do przekrojów histologicznych poprzez tworzenie dostosowanych drukowanych w 3D uchwytów na mózg i slicerów.

Wykorzystanie technologii druku 3D do połączenia rezonansu magnetycznego z histologią: protokół sekcji mózgu

Opracowaliśmy protokoły i zaprojektowaliśmy niestandardowe urządzenie, aby umożliwić osadzanie próbek w skali milimetrowej. Przedstawiamy procedury przygotowania próbek z naciskiem na zatapianie w rurkach z żywicy akrylowej i poliimidu w celu uzyskania sztywnego unieruchomienia i długotrwałego przechowywania próbek w celu zbadania architektury tkanek i morfologii komórek za pomocą mikro-CT.

Sztywne osadzanie utrwalonych i barwionych, całych próbek w skali milimetrowej do bezsekcyjnej histologii 3D za pomocą mikrotomografii komputerowej

Ten artykuł opisuje prostą metodę przygotowania mózgów małych zwierząt do obrazowania mikro-CT, w którym zmiany chorobowe mogą być określane ilościowo, a elektrody lokalizowane z dużą precyzją w kontekście całego mózgu.

Metoda oparta na mikrotomografii komputerowej do charakteryzowania zmian chorobowych i lokalizacji elektrod w mózgach małych zwierząt

Opisany potok jest przeznaczony do segmentacji zestawów danych mikroskopii elektronowej większych niż gigabajty, w celu wyodrębnienia morfologii całych komórek. Po zrekonstruowaniu komórek w 3D, dostosowane do indywidualnych potrzeb oprogramowanie może być wykorzystane do przeprowadzenia analizy jakościowej i ilościowej bezpośrednio w 3D, wykorzystując również rzeczywistość wirtualną do pokonania okluzji widoku.

Metoda rekonstrukcji 3D i analizy w wirtualnej rzeczywistości komórek glejowych i neuronalnych

Tutaj prezentujemy protokół przygotowania i hodowli mikrośrodowiska przerzutowego guza bariery krew-mózg, a następnie ilościowego określenia jego stanu za pomocą obrazowania konfokalnego i sztucznej inteligencji (uczenia maszynowego).

Kwantyfikacja mikrośrodowiska guza z przerzutami do mózgu za pomocą modelu 3D Organ-On-A Chip, uczenia maszynowego i tomografii konfokalnej

Ten protokół opisuje kwantyfikację wolumetrycznych zmian hemodynamicznych mózgu w mózgu myszy za pomocą funkcjonalnych ultradźwięków (fUS). Procedury dla mapy aktywacji funkcjonalnej 3D po stymulacji sensorycznej, a także łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku są przedstawione jako przykłady ilustracyjne u myszy znieczulonych i obudzonych.

Aktywacja 3D całego mózgu i mapowanie łączności funkcjonalnej u myszy przy użyciu przezczaszkowego funkcjonalnego obrazowania ultrasonograficznego

Wprowadziliśmy nowatorską technikę obrazowania zwaną Optical Multilayer Interference Tomography (OMLIT), która umożliwia bezstronne obrazowanie wszystkich komórek w próbkach mózgu na mezoskali i może być płynnie zintegrowana z procesem obrazowania taśmowej szeregowej skaningowej mikroskopii elektronowej na tej samej próbce.

Metoda optycznego obrazowania zgodna z mikroskopią skaningową do mezoskopowego mapowania mózgu w całych komórkach

Poznaj protokół 3D neuro łączący skanowanie 3D z obrazowaniem MRI mózgu myszy, umożliwiający precyzyjne mapowanie struktur neuronalnych w skali makro i mikro. Ta metoda poprawia zrozumienie związku struktura-funkcja w neuroanatomii.

Technologia skanowania 3D łącząca mikroukłady i obrazy mózgu w makroskali w nowatorskim protokole osadzania nakładania się 3D

Przeglądaj więcej filmów