14 ноября 2010 г.
Мы разработали компьютерную программу для анализа нейронной морфологии. В сочетании с двумя существующими открытыми инструменты анализа источников, наша программа выполняет Шолл анализа и определяет количество невриты, точек ветвления и аксонов советы. Анализы выполняются так, что локальные изменения в морфологии аксонов можно наблюдать.
В данном видео демонстрируется процедура анализа морфологии дендритов и аксонов, которые в совокупности называются нейритами, с использованием полуавтоматической программы для наблюдения локальных изменений. Сначала программное обеспечение Neuron J используется для трассировки 8-битных TIFF-изображений нейронов с целью определения положения сегментов нейритов. Затем программное обеспечение Neuron Studio используется для определения структурной информации о связях между нейритами.
Наконец, запускается программа bonfire в MATLAB для извлечения морфологических данных клеток, включая анализ «узлов» (shoal analysis), а также определение количества точек ветвления и окончаний нейритов. Результаты демонстрируют локальные изменения морфологии нейритов на основе анализа «узлов» в отдельных областях нейритного дерева. Основным преимуществом данного метода перед существующими, такими как ручной анализ «узлов», является полуавтоматический режим работы программы, что значительно повышает эффективность анализа и позволяет проводить аудит данных для проверки точности анализа.
Процедуру продемонстрирует студент бакалавриата AWA Хирш, работающий в лаборатории Файерстайна в течение летнего периода. Чтобы использовать программу Bonfire для анализа морфологических характеристик нейритов на 8-битных TIFF-изображениях, необходимо получить снимки отдельных нейронов после загрузки программы Bonfire. Настройки программы должны быть скорректированы в соответствии с разрешением изображений, которые вы намерены анализировать: в разделе параметров программы Bonfire замените текущее значение переменной picks conversion на значение разрешения ваших изображений.
Для анализа данных в программе bonfire файлы должны быть организованы в определенной структуре, включающей общую папку, папку bonfire с M-файлами MATLAB для bonfire, подпапки для каждого из различных условий и файлы изображений клеток внутри папок с соответствующими условиями. Начните с подготовки изображения к трассировке. В данном эксперименте для анализа изменений морфологии дендритов будут трассироваться только дендриты. Начните с подготовки изображения к трассировке.
Откройте изображение, нажав кнопку open на панели инструментов NeuronJ, и выберите изображение, которое необходимо обвести. Теперь разверните изображение, нажав кнопку maximize, и отрегулируйте яркость и контрастность, чтобы все нейриты стали хорошо видны: выберите image на панели инструментов NeuronJ, а затем select adjust brightness contrast. Чтобы начать обводку, нажмите кнопку add traces на панели инструментов NeuronJ. Обведите контур тела клетки.
Затем выберите кнопку label tracings на панели инструментов Neuron J, выберите N1 в выпадающем меню tracing ID, установите type 06 в окне атрибутов Neuron J и нажмите Okay. Чтобы начать трассировку нейритов, нажмите кнопку add traces на панели инструментов Neuron J и проведите линию вдоль каждой интересующей вас ветви нейрита. Рекомендуется, чтобы отрисованные вами сегменты заканчивались в каждой точке ветвления, при этом каждая дочерняя ветвь должна начинаться из этой точки как новая трасса.
Нажмите кнопку сохранения трассировок на панели инструментов Neuron J и сохраните только что созданную трассировку в той же папке, что и исходный файл изображения. Затем экспортируйте файлы трассировок и файлы идентификаторов трассировок из Neuron J. Нажмите кнопку экспорта трассировок на панели инструментов Neuron J. В диалоговом окне экспорта Neuron J выберите параметр «tab delimited text files separate file for each tracings» и нажмите OK, позволив Neuron J самостоятельно определить имена файлов и место их сохранения.
Нажмите кнопку measure tracings на панели инструментов neuron J, затем выберите опцию display tracings measurements в окне измерений neuron J и нажмите run. Выберите файл в окне трассировки neuron J, затем выберите save as и сохраните файл. Имя файла должно в точности совпадать с именем исходного файла изображения, после которого следует _info; расширение файла из трех букв добавлять не следует. Убедитесь, что ваш компьютер не добавляет расширение XLS автоматически.
Если это произойдет, расширение файла необходимо удалить вручную. Сначала переорганизуйте папки с помощью команды bonfire load: откройте matlab и нажмите кнопку с тремя точками в верхнем правом углу командного окна. В появившемся окне выбора папки выберите папку bonfire в вашей основной папке, затем введите bonfire load в командном окне и нажмите enter.
В окне выбора папки выберите папку с условием, которое вы хотите проанализировать, и нажмите «ОК». Это реорганизует структуру папок, создав подпапки для каждой отдельной клетки, содержащие все соответствующие данные. Теперь, чтобы создать файлы filename_premium.swc, введите в командном окне bonfire_NDF2sWC и нажмите Enter.
В окне выбора папки выберите ту же папку с условиями, которая была только что реорганизована с помощью bonfire load, и нажмите «ОК». Это создаст файл WC в каждой папке с клетками для выбранного условия. Каждая папка с клетками будет содержать пять файлов.
Исходное изображение в формате TIF, файл NDF, файл с информацией (underscore info), файл идентификатора трассировки, TXT-файл и swc-файл. Перед началом работы в Neuron Studio рекомендуем ознакомиться с возможностями и горячими клавишами программы. У них есть отличное онлайн-руководство пользователя, а знание сочетаний клавиш сэкономит вам много времени.
Для начала запустите программу Neuron Studio и выберите «File» → «Open» на панели инструментов Neuron Studio, найдите TIF-изображение нейрона, которое вы хотите отредактировать, и откройте его. Перейдите в «Run settings» и введите единицу в каждое из трех полей.
В окне размера вокселя выберите импорт файла s wc. Выберите соответствующий файл s WC, который соответствует файлу, с которым вы хотите работать. Теперь изображение файла будет совмещено с изображением трассировки.
Тело клетки (сома) должно быть перекрыто красным кругом для привязки нейритов. Используйте инструмент для нейритов, чтобы соединить узлы таким образом, чтобы в каждой точке ветвления, обозначенной желтыми узлами, образовывалось только две ветви. Все трассировки должны быть непрерывными и соединены с сомой.
Теперь, чтобы экспортировать данные из Neuron Studio, выберите «file» (файл), «save neurites» (сохранить нейриты) и сохраните под именем по умолчанию, чтобы проверить наличие ошибок в файлах типа swc, введя команду bonfire trace. Перейдите в командное окно и нажмите Enter. В появившемся окне «browse for folder» (выбор папки) выберите папку с условием, содержащую только что обработанные данные, и нажмите «okay» (ОК), если в любом из изображений в папке обнаружены ошибки.
Программа выведет изображения с указанием мест возникновения ошибок при извлечении морфологических данных из файлов dot S WC. Введите bonfire в окне командной строки и нажмите enter. В окне выбора папки выберите папку с условием, которое необходимо проанализировать, и нажмите okay для каждого интересующего нейрона.
Анализ bonfire создаст график нейрональной морфологии вместе с кольцами плеч, использованными в анализе. Кроме того, команда bonfire сгенерирует файл MAT, содержащий всю морфологическую информацию, полученную в результате анализа. Чтобы просмотреть предварительные графики данных, введите команду bonfire в командном окне MATLAB, в окне выбора папки выберите папку с условием, которое необходимо просмотреть, и нажмите «ОК».
Окно выбора папки временно закроется и снова откроется, что позволит выбрать дополнительные условия. После выбора условий нажмите «Отмена» (cancel), чтобы завершить процесс выбора. В результате работы Bonfire будут выведены сводные диаграммы, включающие данные из папок с условиями, которые вы выбрали; чтобы экспортировать морфологические данные в Excel, введите команду bonfire Export в командном окне MATLAB.
В окне выбора папки выберите папку с условием, содержащую данные, которые вы хотите экспортировать, и нажмите «ОК». Программа Bonfire Export создаст файлы Excel с морфологическими данными и поместит их в выбранную папку условия. Теперь мы покажем вам пример данных, сгенерированных программой Bonfire для набора данных, содержащего два условия.
На данных изображениях представлены примеры инвертированных снимков для обоих условий. По этим изображениям видно, что в первом условии дендритов больше, чем во втором. Это явление также можно наблюдать на различных графиках, построенных с помощью программы bonfire.
Поскольку программа bonfire выполняет анализ в отдельных областях дендритов, увеличение количества дендритов в условии один может быть легко идентифицировано; построение кривой Шолля для всего дендритного дерева показывает, что в нейронах условия один наблюдается большее количество дендритов на удалении от тела клетки. Построение графика среднего количества точек ветвления и терминальных точек на клетку показывает, что в условии один содержится больше как точек ветвления, так и терминальных точек, чем в условии два. Приведено среднее количество отростков на клетку для дендритов первичного, вторичного, третичного и более высокого порядков. В условии один наблюдается больше дендритов третичного и более высокого порядков; построение графика среднего количества отростков на клетку для корневых, промежуточных и терминальных дендритов показывает, что в условии один больше промежуточных или терминальных отростков, чем в условии два.
Здесь представлены кривые анализа шуль (shoal analysis) с разграничением по идентичности сегментов, где сегменты сгруппированы как первичные, вторичные, третичные или более высокого порядка. У нейронов первого условия увеличение количества третичных дендритов происходит дистальнее тела клетки. Также показаны кривые анализа шуль с разграничением по идентичности сегментов, в которых сегменты сгруппированы как корневые, промежуточные или терминальные сегменты.
Увеличение количества как промежуточных, так и терминальных дендритов в первом варианте происходит дистальнее тела клетки. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как проводить анализ шуль с помощью программы bonfire для наблюдения за локальными изменениями нейроморфологии.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
В данной статье представлена полуавтоматическая программа, разработанная для анализа морфологии нейритов, включая дендриты и аксоны. Программа расширяет возможности существующих инструментов за счет проведения Sholl-анализа и количественной оценки характеристик нейритов, что позволяет наблюдать локальные морфологические изменения.
Точный количественный анализ морфологии нейритов способствует валидации мишеней в исследованиях нейродегенеративных заболеваний, позволяя выявлять структурные изменения, связанные с патофизиологией. Автоматизированный анализ по методу Шолла повышает достоверность прогнозов в доклинических моделях за счет снижения вариабельности и увеличения пропускной способности морфологического скрининга. Данный подход облегчает снижение механистических рисков, связывая изменения дендритного дерева с функциональными исходами в системах, релевантных для заболевания.
Данный метод интегрируется в рабочие процессы раннего поиска в качестве инструмента фенотипического скрининга целостности нейритов, занимая промежуточное положение между анализами взаимодействия с мишенью и функциональными электрофизиологическими показателями.