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 используется программное обеспечение Neuron J для трассировки 8-битных TIFF-изображений нейронов с целью определения положения сегментов нейритов. Затем с помощью программного обеспечения Neuron Studio определяется структурная информация о связях между нейритами.
Наконец, запускается программа bonfire в MATLAB для извлечения морфологических данных клеток, включая анализ сегментов (shoal analysis), а также определение количества точек ветвления и окончаний нейритов. Результаты демонстрируют локальные изменения морфологии нейритов на основании анализа сегментов в отдельных областях нейритного дерева. Основным преимуществом данного метода перед существующими подходами, такими как ручной анализ сегментов, является полуавтоматический режим работы программы, что значительно повышает эффективность анализа и позволяет проводить аудит данных для проверки точности результатов.
Процедуру будет демонстрировать студент бакалавриата AWA Хирш, работающий летом в лаборатории Файрстайна. 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 планируете анализировать: в разделе параметров программы Bonfire замените текущее значение переменной picks conversion на значение разрешения ваших изображений.
Для того чтобы программа bonfire могла проанализировать данные, файлы должны быть организованы в определенной структуре, которая включает общую папку, папку bonfire с M-файлами MATLAB для bonfire, подпапки для каждого из различных условий и файлы изображений клеток внутри папок соответствующих условий. Начните с подготовки изображения к трассировке. В данном эксперименте будут трассироваться только дендриты для анализа изменений дендритной морфологии. Начните с подготовки изображения к трассировке.
Откройте изображение, нажав кнопку open на панели инструментов Neuron J, и выберите изображение, которое необходимо обвести. Затем измените размер изображения, нажав кнопку maximize, и отрегулируйте яркость и контрастность, чтобы все нейриты стали хорошо видны; для этого выберите image на панели инструментов Neuron J, а затем нажмите adjust brightness contrast. Чтобы начать обводку, нажмите кнопку add traces на панели инструментов Neuron J. Обведите периметр тела клетки.
Затем нажмите кнопку label tracings на панели инструментов NeuronJ, выберите N1 в выпадающем меню tracing ID, укажите тип zero six в окне атрибутов NeuronJ и нажмите Okay. Чтобы начать трассировку нейритов, нажмите кнопку add traces на панели инструментов NeuronJ и проведите линию вдоль каждой интересующей вас ветви нейрита. Рекомендуется завершать отрисовку сегментов в каждой точке ветвления, начиная каждую дочернюю ветвь как новый трейс.
Нажмите кнопку сохранения трассировок (save tracings) на панели инструментов Neuron J и сохраните только что созданную трассировку в той же папке, где находится исходный файл изображения. Затем экспортируйте файлы трассировок и файлы идентификаторов трассировок из Neuron J. Нажмите кнопку экспорта трассировок (export trace) на панели инструментов Neuron J. Теперь в диалоговом окне экспорта Neuron J выберите опцию «текстовые файлы с разделителем-табуляцией, отдельный файл для каждой трассировки» (tab delimited text files separate file for each tracings) и нажмите OK, позволяя программе Neuron J самостоятельно определить имена файлов и место их сохранения.
На панели инструментов NeuronJ нажмите кнопку measure tracings, затем в окне измерений NeuronJ выберите опцию display tracings measurements и нажмите run. В окне трассировки NeuronJ выберите Select file, затем выберите save as и сохраните файл. Имя файла должно точно совпадать с именем исходного файла изображения, дополненным подчеркиванием и словом info, и не должно содержать трехбуквенное расширение. Убедитесь, что ваш компьютер не добавляет расширение файла XLS автоматически.
Если это так, расширение файла необходимо удалить вручную. Сначала реорганизуйте 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 главной папке, затем введите bonfire load в командном окне и нажмите enter.
В окне выбора папки выберите папку с условием, которую 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 bonfire_NDF2swc в командном окне и нажмите Enter.
В окне выбора папки выберите ту же папку с условием, 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 использованием Neuron Studio мы рекомендуем ознакомиться с возможностями и горячими клавишами программы. У программы есть отличное онлайн-руководство пользователя, а знание комбинаций клавиш сэкономит вам много времени.
Для начала откройте программу Neuron Studio и выберите пункт «Open File» на панели инструментов Neuron Studio, найдите TIF-изображение нейрона, которое необходимо отредактировать, и откройте его. Выберите «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 должно быть перекрыто красным кругом для привязки нейритов. Используйте инструмент для работы с нейритами, чтобы соединить узлы таким образом, чтобы в каждой точке ветвления, обозначенной желтыми узлами, образовывалось только две ветви. Все трассировки должны быть непрерывно соединены с телом клетки.
Теперь для экспорта данных из Neuron Studio выберите «file» (файл), «save neurites» (сохранить нейриты) и сохраните под именем по умолчанию, чтобы проверить файлы формата .swc на наличие ошибок с помощьюbonfire trace. Введите эту команду в командном окне и нажмите Enter. В окне «browse for folder» (поиск 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, указывающие на местоположение ошибки, чтобы извлечь морфологические данные из файлов dot S WC. Введите bonfire в командном окне 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 (shoulder rings), использованными в анализе. Кроме того, команда bonfire создаст файл MAT, содержащий всю морфологическую информацию, полученную в ходе анализа. Чтобы просмотреть предварительные графики данных, введите команду bonfire в командном окне MATLAB, в появившемся окне выбора папки выберите папку с соответствующим условием и нажмите «ОК».
Окно выбора папки временно закроется и откроется снова, что позволит выбрать дополнительные условия. После выбора условий нажмите «Отмена» (cancel), чтобы выйти из процесса выбора. Bonfire выдаст сводные диаграммы, включающие данные из выбранных папок с условиями; для экспорта морфологических данных 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 с условием. Теперь мы покажем вам пример данных, созданных 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 наблюдается на различных графиках, созданных с помощью программы Bonfire.
Поскольку программа bonfire выполняет анализ субрегионов дендритов, увеличение количества дендритов в первом условии легко идентифицируется; построение кривой Шола общего дендритного дерева показывает, что у нейронов первого условия в дистальных по отношению к телу клетки областях наблюдается больше дендритов. Построение графика среднего количества точек ветвления и терминальных точек на клетку демонстрирует, что в первом условии количество как точек ветвления, так и терминальных точек выше, чем во втором условии. Приведено среднее количество отростков на клетку для дендритов первичного, вторичного, третичного или более высокого порядков. Для первого условия характерно большее количество третичных дендритов и дендритов более высокого порядка; построение графика среднего количества отростков на клетку для корневых, промежуточных и терминальных дендритов показывает, что в первом условии больше промежуточных или терминальных отростков, чем во втором.
Здесь представлены кривые анализа Sholl с разделением по идентичности сегментов, где сегменты сгруппированы как первичные, вторичные, третичные или более высокого порядка. У нейронов в состоянии «один» увеличение количества третичных дендритов происходит дистальнее тела клетки. Также показаны кривые анализа Sholl с разделением по идентичности сегментов, где сегменты сгруппированы как корневые, промежуточные или терминальные сегменты.
Увеличение количества как промежуточных, так и терминальных дендритов в первом условии происходит дистальнее тела клетки. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как проводить Sholl-анализ 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.