Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Neurovasculaire netwerk Explorer 2.0: Een eenvoudig hulpmiddel voor het verkennen van en het delen van een Database van Optogenetically opgeroepen Vasomotion in muis Cortex In Vivo

Published: May 4, 2018 doi: 10.3791/57214
Automatic Translation
1,2, 3,4, 3,5, 1, 6, 2,7, 1, 1,3, 1,3,8, 3
1Department of Radiology, University of California, San Diego, 2Central European Institute of Technology, Brno University of Technology, 3Department of Neurosciences, University of California, San Diego, 4Department of Physics, John Carroll University, 5Department of Biomedical Engineering, Boston University, 6Bioengineering Undergraduate Program, University of California, San Diego, 7Institute of Physical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology, 8Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School

Summary

Een grafische user interface voor het verkennen van en het delen van een database van optogenetically-geïnduceerde vasculaire reacties in muis Somatosensorische cortex in vivo gemeten door 2-foton microscopie wordt gepresenteerd. Het laat doorbladeren van de gegevens, criteria gebaseerde selectie, gemiddeld, lokalisatie van metingen in een 3D-volume van therapieën en exporteren van de gegevens.

Abstract

Het belang van het delen van experimentele gegevens in de neurowetenschappen groeit met de hoeveelheid en complexiteit van de verkregen gegevens en verschillende technieken voor het verkrijgen en verwerken van deze gegevens. Echter bereiken de meerderheid van experimentele gegevens, met name van de individuele studies van normale grootte laboratoria nooit ruimere onderzoeksgemeenschap. Een grafische user interface (GUI) engine genaamd neurovasculaire netwerk Explorer 2.0 (NNO 2.0) is gemaakt als een hulpmiddel voor eenvoudige en goedkope delen en verkennen van vasculaire imaging gegevens. NnO 2.0 communiceert met een database met optogenetically-opgeroepen dilatatie/vernauwing tijdsverloop van individuele vaartuigen gemeten in muizen Somatosensorische cortex in vivo door 2-foton microscopie. NnO 2.0 maakt selectie en weergave van de tijd-cursussen op basis van verschillende criteria (onderwerp, vertakkende orde, corticale diepte, diameter van het vaartuig, arteriolar boom) evenals eenvoudige wiskundige manipulatie (bv. gemiddeld, piek-normalisatie) en gegevens exporteren. Het ondersteunt 3D visualisatie van de vasculaire netwerk en lokalisatie van de functionele vaartuig diameter metingen binnen vasculaire bomen maakt.

NnO 2.0, de broncode en de bijbehorende database zijn vrij te downloaden van UCSD neurovasculaire Imaging laboratorium website1. De broncode kan worden gebruikt door de gebruikers om te verkennen van de gekoppelde database of als een sjabloon voor databasing en delen van hun eigen experimentele resultaten mits de juiste indeling.

Introduction

De hersenen wordt beschouwd als een van de meest ingewikkelde organen en de wens te ontwarren haar complexe functie is onvermoeibare. Het wordt bestudeerd op verschillende schalen van de moleculaire op de gedrags niveau met een breed palet van tools2,3,4,5,6,7,8 . Het bedrag van de niet-homogene experimentele gegevens groeit met ongekende snelheid. Het bewustzijn van de noodzaak van experimentele gegevens delen, organisatie en standaardisatie groeit met de hoeveelheid opgehaalde gegevens. Het is gebleken dat neuroinformatics een cruciale rol spelen zal bij de integratie van experimentele gegevens over schalen in modellen van hersenen functie en dysfunctie9,10.

Te dien einde konden sommige studies, met name grotere gebied, zodat hun resultaten beschikbaar via uitgebreide databases11,12,13,14,15middelen reserveren. Een enorme hoeveelheid van experimentele gegevens uit afzonderlijke studies en laboratoria normale grootte bereikt echter nooit de ruimere onderzoeksgemeenschap. Dit is vooral om twee redenen: eerste, meer specifieke tijd nodig is om te bouwen van een database en maken van hulpmiddelen waarmee de gebruiker om te communiceren met de database; en tweede, meer geld nodig is ter ondersteuning van deze taken. Gemotiveerd door deze uitdagingen, een MATLAB gebaseerd grafische user interface (GUI) engine genaamd de neurovasculaire netwerk Explorer 2.0 (NNO 2.0)16 werd ontwikkeld als een eenvoudige en goedkope hulpmiddel voor databasing, delen en verkennen van vasculaire imaging gegevens. Dit manuscript biedt een handleiding voor de werking van NNO 2.0 en de bijbehorende database van experimentele gegevens.

NnO 2.0 is al een motor van de tweede generatie software. De eerste generatie, genaamd neurovasculaire netwerk Explorer 1.0 (NNO 1.0)17 werd gebouwd om de interactie met een database van sensoriële-evoked vasodilatatie in rat primaire Somatosensorische cortex (SI) in vivo gemeten door 2-foton microscopie18. NnO 1.0, de broncode, evenals de bijbehorende database zijn vrij te downloaden als een zip bestand met de naam 'NNO 1 Tian' van UCSD neurovasculaire Imaging laboratorium website1. Meer informatie over NNO 1.0 en de bijbehorende database kan worden gevonden in17.

De tweede generatie, de NNO 2.0, interageert met een database van optogenetically-opgeroepen dilatatie van individuele vaartuigen in muizen SI in vivo gemeten door 2-foton microscopie20. De gebruiker kan bladeren, selecteer en visualiseren van gegevens op basis van selectie categorieën zoals corticale diepte, vertakkende order, de diameter van het vaartuig, dierlijke onderwerp of een bepaalde arteriolar boom. De GUI verder voert eenvoudige wiskundige bewerkingen, zoals de piek-normalisatie en sparen in de geselekteerde categorie(ã«n). NnO 2.0 kunt bekijken en blader door afbeeldingen vastleggen van 3D hoeveelheid therapieën evenals het identificeren van de locatie van de functionele meting binnen de vasculaire bomen. Deze functie kan worden gebruikt om vasculaire morphologies in 3D reconstrueren en ze te vullen met echte één-schip vaso-motion metingen. Deze reconstructies kunnen op hun beurt worden opgenomen in de rekenmodellen van hersenen functie21,22. NnO 2.0, de broncode en de bijbehorende database zijn vrij te downloaden als een zip bestand met de naam 'NNO 2.0 HDbase v1.0' van UCSD neurovasculaire Imaging laboratorium website1.

NnO 2.0 werkt met een database met de naam 'vdb.mat'. Deze database is een matrix met temporele profielen (tijdsverloop) van één vaartuig diameterovergangen opgeroepen door een optogenetic stimulans en gemeten op verschillende locaties van arteriolar bomen. Elke tijd-cursus is berekend met behulp van aangepaste-geschreven software. De relatieve verandering van een vaartuig diameter van expansie van een profiel van de fluorescerende intensiteit verworven door het scannen van over het vaartuig wordt berekend. De fluorescerende contrast werd gepresenteerd door intravasculaire injectie van fluoresceïne-isothiocyanaat (FITC)-label dextran. Raadpleeg voor meer informatie over de procedures voor de gegevens en analyses,20,23. 305-tijdsverloop (d.w.z. databasegegevens) heeft de database in totaal. In aanvulling op de wijziging van de diameter, elke toegang tot de database bevat een matrix van aanvullende metagegevens die (1) kwantificeren het tijdsverloop (2) Beschrijf de gemeten vaartuig en (3) het identificeren van de locatie van de meting in een 3D-volume van corticale therapieën. De metagegevens bevatten de begin tijd maximale amplitude, amplitude piekuren, corticale diepte, vertakkende volgorde, vaartuig diameter aan de basislijn, pad naar originele verwijzing beelden en 3D afbeeldingsstapels voor elke meting en lage-vergroting kaarten van hersenen oppervlak therapieën. Raadpleeg alle parameters in de metagegevens opgesomd en beschreven in detail eerder in tabel 116.

NnO 2.0 communiceert met referentie beelden die DAT X-Y scans van een vliegtuig waar de diameter meting heeft plaatsgevonden. Elke databasevermelding heeft een overeenkomstige referentiebeeld met een referentienaam die wordt weergegeven in de GUI. Elke databasevermelding heeft ook een bijbehorende stapel van beelden (3D stack) vastleggen van een 3D-volume van de vasculaire structuur waarbinnen de meting heeft plaatsgevonden. De GUI maakt voor een bepaalde database-item kiezen en weergeven van de bijbehorende referentiebeeld evenals de 3D stack. Het helpt ook de gebruiker om te zoeken naar de overeenkomende referentiebeeld en het frame in de 3D-stack (dezelfde functies kunnen worden gevonden in beide afbeeldingen). Allen stack en de referentie afbeeldingen in hun volledige resolutie (1024 pix x 1024 pix) zijn opgenomen in de mappen hana_stk en hana_refs, respectievelijk. Low-vergroting kaarten van hersenen therapieën zijn opgenomen in de map 'maps'. Alle drie mappen, alsmede de database matrix 'vdb.mat' zijn in het gecomprimeerde bestand 'NNO 2.0 HDbase v1.0' uit de UCSD neurovasculaire Imaging laboratorium website1 gedownload en opgeslagen in de hoofdmap van de NNO 2.0 tijdens het installatieproces.

De GUI is geconcipieerd als een set van vier panelen (paneel 1 (Main Panel) – van Panel 4) die opeenvolgend te openen terwijl de gebruiker de database verkent en specifieke gegevens op basis van selectie categorieën selecteert. Elk paneel is verdeeld in twee grote delen: (1) de rechterkolom biedt de mogelijkheid om te communiceren met de database door te selecteren parameters en categorieën van de gegevens en geeft belangrijke informatie in de metadata; (2) de linker kolom de gegevens worden weergegeven in de vorm van tijdsverloop (diameter wijzigen in tijd) en scatter-Staanplaatsen. Er zijn vier soorten scatter percelen worden getoond (1) dilatatie begin tijd (2) tijd van de dilatatie piek (3) maximale diameter verandering (maximale amplitude) en (4) basislijn doorsnede (diameter vóór stimulatie) als functie van de corticale diepte. De gebruiker heeft de mogelijkheid om het gemiddeld tijdsverloop en waarden voor de geselecteerde gegevens gegroepeerd door corticale diepte of vertakkende volgorde weergeven. Daarom wil de functie of kleurovergang diameter-change behavior met toenemende diepte en volgorde20vertakking. NnO 2.0 kan de gebruiker exporteren de geselecteerde subset van gegevens in de indeling 'xls', 'CSV' of '.mat'.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. installatie van NNO 2.0

  1. Ga naar de UCSD neurovasculaire Imaging laboratorium website1 en klik met de linkermuisknop op 'NNO 2.0 HDbase v1.0' downloaden van de gecomprimeerde programmabestanden naar de gewenste locatie op uw PC.
    Opmerking: NNO 2.0 vereist een Windows-besturingssysteem van versies 7-10, ten minste 2,8 GB vrije ruimte voor het downloaden van het zip-bestand en 6.9 GB het programma te installeren.
  2. Unzip 'NNE2_HDbase_v1.0.zip'.
    Opmerking: De uitgepakte map NNE2 bevat 10 bestanden: 'hana_refs.tar.gz', 'hana_stk.tar.gz', 'maps.tgz', 'MCRInstaller.exe', 'NNE2.exe', 'NNE2.zip', 'NNE2_README.txt', 'source.zip', 'users_guide.pdf' en 'vdb.mat'.
  3. NnO 2.0 installeren door de volgende instructies in 'NNE2_README.txt'.

2. running NNO 2.0

  1. Start de NNO 2.0 met 'NNE2.exe'.
  2. Panel 1 (Main Panel): Selecteer een subset van gegevens (Figuur 1). Afbeeldingen in de linker kolom van het paneel Algemeen tonen grafieken van tijdsverloop en parameters van alle inzendingen voor de 'vdb.mat' (Figuur 1).
    1. Selecteer het bereik voor Corticale diepte in de rechterkolom van het paneel. Typ het bereik van diepte in de indeling [dmin dmax], waarbij dmin het minimale diepte is en dmax het maximale diepte is.
      Opmerking: De gegevens werd gemeten op diepte van 30-560 µm.
    2. Selecteer Order vertakking in de rechterkolom van het deelvenster. Links-klik op de pijl en kies een van de opties in de lijst (oppervlak | Duiken Trunk | Eerst bestellen takken | Hogere orde takken).
    3. Selecteer het bereik met De Diameter van de basislijn in de rechterkolom van het paneel. Typt u deze in de notatie [diamin diamax], waar diamin is het minimale diameter en diamax is het maximale diameter.
    4. Selecteer onderwerpen (dieren volgens de datum van verkrijging) in de rechterkolom van het deelvenster. Links-klik op de pijl en kies uit de beschikbare opties. Als alternatief, gegevens van alle vakken door linksklikken all-in-de blauwe rechthoek te kiezen.
    5. Druk op verzenden weergeven en verkennen van de geselecteerde gegevens in deelvenster 2.
  3. Panel 2: Verkennen van het geselecteerde subset van gegevens en blijven verdere verfijning van de gegevens (Figuur 2).
    1. Selecteer het type voor een groep-gemiddelde van de gegevens door de juiste knop in de rechterkolom op de top links te klikken. Selecteer: Avg door corticale diepte of Avg door vertakking volgorde.
      Opmerking: De specifieke woordkeus is gemarkeerd in het groen hieronder (Figuur 2).
    2. Selecteer gegevens op basis van morfologie van het vaartuig of onderwerp. Klik met de linkermuisknop selecteert u alle gegevens voor boom (een enkele duiken arteriole en haar filialen) of Selecteer alle gegevens voor Subj (dierlijke onderwerp).
    3. Klik met de linkermuisknop indienen bij de geselecteerde gegevens weergegeven aan de linkerkant in de grafieken van (1) individuele tijd-cursussen (2) groep-gemiddeld tijdsverloop en scatter percelen van (3) begin tijden (4) tijd-aan-peaks (5) piekamplitudes en diameters van de basislijn (6)
    4. Klik met de linkermuisknop op een spoor in de grafiek van individuele timecourses in de linker kolom te selecteren van een tijd-cursus.
      Opmerking: De geselecteerde tijd-cursus wordt gemarkeerd in de grafiek (magenta) en zijn begin tijd, tijd-tot-piek, piek amplitude en basislijn diameter zal worden gekenmerkt door rode cirkels in de grafieken hieronder. Rode punten in de scatter percelen zijn gemiddelde waarden.
    5. Opmerking de id's van het thema (Onderwerp ID) en structuur (Tree ID) voor de geselecteerde tijd-cursus in de rechterkolom op de bodem.
    6. Indien gewenst, het type groep-gemiddeld door links te klikken van de juiste keuze op de bovenkant van de rechter kolom, gevolgd door de knop verzenden wijzigen en herhaal stappen van 2.3.4.
    7. Klik met de rechtermuisknop in het deelvenster 2 met een kruis cursor en bekijken van alle sporen voor het geselecteerde onderwerp (Onderwerp ID) of structuur (Tree ID) in het paneel 3.
  4. Panel 3: Verkennen de definitieve subset met gegevens en deze exporteren (Figuur 3).
    1. Selecteer een tijd-cursus in de bovenste grafiek van de linkerkolom door links te klikken op een spoor: het geselecteerde spoor wordt gemarkeerd in de grafiek (magenta) en beschrijvende parameters van de databasevermelding getoond op de top van de grafiek.
      Opmerking: De gemiddelde tijd-cursus wordt weergegeven in de dikke zwarte (Figuur 3).
    2. Let op overeenkomstige begin tijd, tijd-tot-piek, piek amplitude en diameter van de basislijn in onderstaande grafieken.
    3. Klik op de knop SET exporteren in de rechterkolom opslaan van sporen in de bovenste grafiek weergegeven in de map waar NNO 2.0 wordt uitgevoerd.
      Opmerking: Deze actie slaat u drie bestanden: 'vdb_subset.xls', 'vdb_subset.csv' en 'vdb_subset.mat' met vectoren van diameter verandering en tijd-vectoren; 'vdb_subset.mat' bevat ook beschrijvende parameters en informatie van de 'vdb.mat'.
    4. Als u wilt controleren op alle gegevens 'onderwerp' in plaats van 'boom' sluit Configuratiescherm 3 door te drukken op [x], herstart NNO 2.0, herhaal de selectie van categorieën in paneel 1 (stappen 2.2.1-2.2.5) en alle gegevens voor onderwerp selecteren in deelvenster 2 (stap 2.3.2).
    5. Klik met de rechtermuisknop ergens in deelvenster 3 met een kruis cursor naar Panel 4 om referentie afbeeldingen en 3D-stapels voor alle sporen in de bovenste grafiek van paneel 3 te verkennen.
      Opmerking: Panel 4 wordt geopend als optie van alle gegevens voor 'boom' werd geselecteerd in deelvenster 2. Als alle gegevens voor 'onderwerp' in plaats daarvan werden geselecteerd, zal de gebruiker worden gevraagd te wijzigen zijn selectie en gericht aan paneel 1.
  5. Panel 4: Lokaliseren de functionele meting binnen een referentiebeeld en een 3D beeld stapel therapieën (Figuur 4).
    1. Selecteer een tijd-cursus door links te klikken op het in de grafiek op de top van de linkerkolom.
      Opmerking: Het geselecteerde spoor wordt gemarkeerd in de grafiek (magenta) en de beschrijvende informatie van metagegevens wordt getoond op de top.
    2. Verken het overeenkomstige referentiebeeld die automatisch wordt geladen vanuit de map 'hana_refs' bij het bodemrecht van de linkerkolom.
    3. Verken de bijbehorende 3D afbeeldingsstapel geladen automatisch te spelen vanaf 'hana_stk' map linksonder van de linkerkolom. Blader door de stapel met behulp van de pijlen of de schuifregelaar onder de figuur.
      Opmerking: Wanneer de stack afbeelding bereikt het niveau van het referentiebeeld – dat wil zeggen de diameter meting niveau ('Stapel index' = 'Ref'), de stapel afbeelding is gemarkeerd en aangeduid als 'Frame niveau'.
    4. Klik op Exporteren in de rechterkolom de gemarkeerde tijd-cursus exporteren naar een bestand 'ref_stacks_trace.xls' die is opgeslagen in de map waar NNO 2.0 wordt uitgevoerd.
      Opmerking: Het bestand bevat de tijd vector, diameter verandering vector, onderwerp-ID, vermelding index, locatie van referentiebeeld, locatie van 3D stack en de stapel beeldnummer voor het frame-niveau.
    5. Sluit Panel 4 door [x] te gaan terug naar het paneel 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

NnO 2.0 en de geassocieerde database dienen om te bladeren en de gegevens van de database bekijken, uitzoeken van de gegevens op basis van selectiecriteria, downloaden van de geselecteerde gegevens en de vasculaire metingen binnen de bijbehorende vasculaire tree vinden.

Panel 1 beschikt over selectie van gegevens op basis van Categorieën: 'Corticale diepte', 'Vertakkingen bestellen', 'Basislijn Diameter' en 'Onderwerpen'- Figuur 1). Houd er rekening mee dat in deze studie, 'Er staan geen gegevens voor oppervlakte arteriolen ('oppervlak') in de categorie 'Vertakking bestellen' selectie. Als deze optie is geselecteerd, wordt een waarschuwingsvenster 'Geen records gevonden-Zoek restrictief' verschijnt en vraagt de gebruiker om een andere optie te selecteren. De dezelfde waarschuwing wordt weergegeven als er geen metingen voldoen aan de geselecteerde criteria in deelvenster 1. In dit geval de gebruiker paneel 1 moet sluiten door op [x] te drukken en start het programma.

Alle diameter verandering-tijdsverloop voldoen aan vastgestelde criteria paneel 1 kunnen worden bekeken in het deelvenster 2 (Figuur 2). De gebruiker kan verkennen alle individuele tijdsverloop, tijdsverloop-groep-gemiddeld door corticale diepte of vertakkende volgorde en de bijhorende waarden van de 'Begin time', 'Maximale amplitude', 'Tijd-tot-piek' en 'Basislijn diameter' uitgezet als functie van de diepte. De gebruiker selecteert een tijdsverloop van de individuele tijd-cursussen-grafiek en verkent de vorm van de curve, alsmede de bijbehorende numerieke kenmerken in de scatter percelen.

Alle gegevens verworven in dezelfde arteriolar of dier boom kan worden verkend in deelvenster 3 (Figuur 3). Op dezelfde manier zoals in deelvenster 2, de gebruiker selecteert een tijdsverloop van de individuele tijd-cursussen-grafiek en verkent de vorm van de curve, alsmede de bijbehorende numerieke kenmerken in de scatter percelen. Indien gewenst, kan de gebruiker alle gegevens exporteren van paneel 3 in de vorm van 'xls', 'csv' en '.mat'. Deze bestanden zijn gemaakt of overschreven telkens die de 'Export' actie wordt ondernomen. Voor het overschrijven van de bestanden, springt een waarschuwingsdialoog ' bezig met het overschrijven vdb_subset.xls' uit de tussenkomst van de gebruiker te hernoemen eerder geëxporteerde resultaten. De gebruiker moet ervoor zorgen dat geen van de geëxporteerde bestanden zijn open tijdens de actie 'Exporteer'. Als een van de bestanden openen, een waarschuwingsvenster ' fout/exporteurs Excel-bestand: Zorg ervoor dat vdb_subset.xls niet openen ' verschijnt. In dit geval moet de gebruiker sluit het geëxporteerde bestand en opnieuw NNO 2.0.

Alle gegevens binnen een enkele arteriolar boom verworven kunnen worden onderzocht in het kader van 3D therapieën in Panel 4 (Figuur 4). Selecteren van een tijd-cursus verschijnt automatisch de bijbehorende referentieafbeelding en de 3D-afbeelding-stack die worden geladen vanuit de mappen 'hana_refs' en 'hana_stk', respectievelijk. Het gemeten vaartuig wordt gemarkeerd in de referentieafbeelding met een rode semi-transparante rechthoek in het midden van de afbeelding. De scannen pad is gemarkeerd als een rode lijn overschrijden van de gemeten vaartuig. Als meer schepen worden gescand in één meting (rode lijn overschrijden van meerdere schepen – Figuur 4), moet de gebruiker rekening wordt gehouden met de vertakkende volgorde gevonden in 'vdb.mat' of weergegeven in de GUI op de top van het tijdsverloop grafiek ("B. Order") te begrijpen welke scan behoort tot de specifieke meting. Vertakkende volgorde '0' etiketten duiken boomstammen, '1' etiketten takken rechtstreeks aangesloten op duiken boomstammen, ' 2' etiketten takken direct verbonden met 1st volgorde takken, enz. Ter identificatie van de passende arteriolar boom moet beginnen met een duik arteriole aan het oppervlak van de hersenen (gezien in de bovenste beelden van de 3D-stack), de gebruiker verwijzen naar een laag-vergroting-kaart opgeslagen in de map 'maps'. Deze kaart is uniek voor elk dier onderwerp en kan worden gelokaliseerd met behulp van de bijbehorende onderwerp-ID (bijvoorbeeld ' 022014.jpg'). Deze kaart is een beeld van de blootstelling van de hele hersenen met oppervlakte therapieën. De duiken segmenten van gemeten arteriolen worden aangeduid met de boom-id's ('Tree ID') (Figuur 5). De gebruiker kan het exporteren van een enkele geselecteerde tijd-cursus samen met de informatie over de bijbehorende referentiebeeld, de 3D stack en de positie van de meting binnen de stack in de 'ref_stacks_trace.xls'. Ook wat betreft 'Exporteer' in deelvenster 3, moet 'ref_stacks_trace.xls' worden gesloten voordat de 'Export' actie wordt ondernomen. Hetzelfde type waarschuwingsdialoogvensters wordt weergegeven voordat het geëxporteerde bestand wordt overschreven of wanneer het bestand geopend tijdens de actie 'Exporteer is'. Let op dat als er een ontbrekende verwijzing afbeelding voor de geselecteerde databasevermelding (9 vermeldingen in totaal), een waarschuwing ' geen referentie beeld gevonden: index = ' zal worden weergegeven in plaats van het referentiebeeld in Panel 4. Geen export is beschikbaar voor deze posten en de gebruiker wordt gevraagd om te kiezen van een verschillende tijd-cursus. Als de gebruiker selecteert een item waarvoor de 3D stack bestaat niet of geen referentiekader/afbeeldingsstapel bleek (31 en 52 items, respectievelijk) een opmerking * Nee STACK MATCH * verschijnt op de top van een lege afbeelding in plaats van de afbeelding 3D stapel in Panel 4.

Figure 1
Figuur 1: Panel 1 (Main Panel) serveert een subset van gegevens op basis van selectie categorieën selecteren. Alle gegevens uit de 'vdb.mat' worden weergegeven in zes grafieken in de linkerkolom. De rechter kolom staat de gebruiker toe om te selecteren van een subset van deze gegevens door te kiezen voor corticale diepte | Vertakkende bestelling | De Diameter van de basislijn | Onderwerpen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: Panel 2 staat de geselecteerde subset van gegevens te onderzoeken en de selectie verder te verfijnen. Rechterkolom biedt voor het berekenen van de gemiddelde van de geselecteerde gegevens gebaseerd op diepte categorieën of vertakkende volgorde (de specifieke woordkeus is gemarkeerd in het groen). Linker kolom weergegeven gegevens die voldoen aan de criteria selectie in deelvenster 1 en de gemiddelde type dat is geselecteerd in de rechterkolom. De gebruiker kan een tijd-cursus selecteren in het bovenste linker diagram (cross cursor) die krijgt gemarkeerde (magenta). De overeenkomstige tijden van begin en de piek, de piek amplitude en basislijn diameter zijn omcirkeld in het rood en de item-id's worden weergegeven in de rechterkolom op de bodem. Dikke rode punten in de scatter percelen markeren de gemiddelde waarden voor de subset van de feitelijke gegevens. De selectie van 'alle gegevens voor boom' vs. 'alle gegevens voor Subj' is van invloed op gegevens in de volgende panelen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: 3 in het deelvenster kunt verkennen de definitieve subset van gegevens en hen exporteren. De gebruiker kan selecteren (cross cursor) een tijd-cursus in de grafiek op de top van de linkerkolom. Het geselecteerde spoor wordt gemarkeerd (magenta) en de metagegevens van de vermelding wordt weergegeven op de top van de grafiek. Tegelijkertijd worden de bijbehorende begin en piekuren evenals de piek amplitude en basislijn diameters weergegeven in de onderstaande grafieken. De knop SET exporteren in de rechterkolom kunt exporteren van alle tijd-cursussen uit de bovenste grafiek. De gemiddelde tijd-cursus wordt uitgezet in dik zwart. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: deelvenster 4 kunt lokaliseren de diameter metingen binnen een referentiebeeld en een 3D stapel therapieën. De plot van het tijdsverloop op de top van de linker kolom is identiek met de plot van het tijdsverloop in paneel 3. De gebruiker kan selecteren individuele tijd-cursussen uit de bovenste grafiek in de linkerkolom. De overeenkomstige referentieafbeelding wordt weergegeven aan de onderkant recht samen met de metadata informatie: 'Ref. Image' (afbeelding referentienaam), 'Diepte' (corticale diepte van de meting) en 'Schaal' (schaal van de afbeelding in micron per pixel). De bijbehorende 3D-stack op de bodem verlaten samen met de beschrijvende metadata informatie wordt weergegeven: 'Stapel index' (werkelijke beeldnummer in de stack), 'Delta' (verticale afstand van de bovenste afbeelding), 'Ref' (afbeelding nummer in de stack die overeenkomt met de referentiebeeld en vangt de locatie van de meting) en 'Schaal' (schaal van de afbeelding in micron per pixel). Houd er rekening mee dat de 'diepte' bovenop het referentiebeeld is handmatig ingevoerd tijdens het experiment en bij benadering is. Het niet overeenkomt met precies de waarde van 'Delta' frame niveau in stapel afbeeldingen wijten aan het feit dat het oppervlak van de hersenen wordt gekanteld met betrekking tot de beeldvorming vliegtuig. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: kaart van de lage-vergroting van de oppervlakte therapieën. Het beeld vangt de blootgestelde hersenen regio met oppervlakte schepen. De duiken segmenten van de gemeten arteriolar bomen worden aangeduid met de boom-id '(Tree ID). Deze kaarten worden opgeslagen in de map 'maps' in de map waar NNO 2.0 wordt uitgevoerd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

NnO 2.0 is geschreven om het aandeel van de vasculaire imaging gegevens van een specifieke studie20 , maar met de bedoeling een eenvoudige tool voor het delen en verkennen van gegevens van soortgelijke aard te ontwikkelen door andere gebruikers. Onderzoekers interesse bij de inspectie van de bijbehorende database van vasculaire gegevens kunnen de GUI gebruiken om de gegevens bladeren, deelverzamelingen gegevens selecteren, vergelijken ze met hun eigen experimentele resultaten of verwerken ze verder met behulp van hun eigen rekenkundige procedures. Gebruikers die vertrouwd zijn met MATLAB kunnen gebruiken rechtstreeks de database 'vdb.mat' terwijl gebruikers met een ander soort programmeertaal kunnen exporteren van de gegevens in een van de alternatieve indelingen ('xls' of 'CSV').

Onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het delen van hun eigen experimentele gegevens met behulp van NNO 2.0 moeten structureert de resultaten in een matrix op dezelfde manier aan 'vdb.mat'. Belangrijkste posten naar deze database moet tijdsverloop van elke soort in de vorm van de vectoren en de bijbehorende tijd vectoren. Parameters van de database kunnen worden gewijzigd of toegevoegd aan via modulaire opbouw van de GUI. Alle verwijzen naar afbeeldingen, afbeeldingsstapels en hersenen blootstelling kaarten (indien van toepassing) moeten worden verzameld en samen met de database en de uitvoerbare GUI op het internet (bijvoorbeeld laboratorium-webpagina of een derde-partij repository) gestort.

Onderzoekers geïnteresseerd in het gebruik van de vasculaire metingen samen met de 3D vasculaire morfologie bij het modelleren van de studies van hersenfunctie vindt eerst de gegevens met behulp van de GUI. Na het selecteren van een gewenste subset van gegevens, zij kunnen het gebruiken van de metadata informatie geëxporteerd naar 'ref_stacks_trace.xls' samen met variabelen in 'vdb.mat', 3D stapel afbeeldingen opgeslagen in 'hana_stk' en hersenen blootstelling kaarten in 'maps' te reconstrueren de vasculaire morfologie in 3D .

De meest kritische stap van het protocol is het exporteren van de gegevens. Voor de juiste uitvoer van geselecteerde gegevens (uit het paneel 3 en 4) is het belangrijk om te sluiten van alle bestanden waarin de gegevens naar moeten worden geëxporteerd voordat de 'Export' actie wordt ondernomen. Alleen dan zal de bestanden correct worden overschreven door de specifieke woordkeus van gegevens. Wijzigingen in het programma of het oplossen van problemen moeten worden uitgevoerd om de broncode.

NnO 2.0 is ontwikkeld om de temporele profielen berekend op basis van lijn-scans die werden verworven door 2-foton microscopie delen. Gegevens onderzocht door NNO 2.0 zijn daarom niet rauw intensiteit scans maar eerder voorbewerkte tijdsverloop van relatieve diameterovergangen. Op deze manier kunnen de gebruikers hun ruwe experimentele gegevens met behulp van hun eigen standaardprocedures en software verwerken en NNO 2.0 gebruiken als een sjabloon om te presenteren en hun resultaten delen met andere onderzoekers. Niet alleen de vasculaire diameterovergangen maar eigenlijk geen tijd-afhankelijke signaal gemeten met behulp van verschillende meettechnieken kan gedeeld worden op deze manier. Dergelijke signalen omvatten fluorescentie van calcium24, natrium25, spanning gevoelige kleurstoffen26, genetisch gecodeerde indicatoren voor metabolieten27, gedeeltelijke druk van zuurstof (pO2)28, oxygenatie van het bloed (BOLD 18, spectrale imaging29), doorbloeding (spikkel imaging29) of electrofysiologie signalen30. De vereiste voor het gebruik van de NNO 2.0 is een database in de vorm van een matrix ' * .mat '. Dit kan worden bereikt door verwerking van de gegevens rechtstreeks in MATLAB of met behulp van tools om te bouwen van de matrix van andere formaten (bijvoorbeeld 'xlsread(filename)' dient te lezen blinkt verspreiding bladen in '.mat' formaten). Het gebruik van NNO 2.0 zonder MATLAB is beperkt tot het verkennen, downloaden en de verdere verwerking van de gegevens uit de huidige database 'vdb.mat'.

NnO 2.0 heeft het potentieel om te helpen verspreiden van experimentele gegevens over de brede neurowetenschappen onderzoeksgemeenschap om te worden verkend en in vergelijking met andere experimentele gegevens van soortgelijke aard te vergemakkelijken van de ontwikkeling van normen voor data acquisitie en verwerking van 31. NNO 2.0 kan ook helpen met het verspreiden van de gegevens over de Gemeenschap van de neuroinformatics waar het kan worden gebruikt in modellen van niet-invasieve beeldvormende signalen zoals functionele magnetische resonantie imaging (fMRI)21. Terwijl NNO 2.0 kan niet met de meer complexe databases5,32,33,34 concurreren, kan het een naadloze en kant-en-klare platform bieden voor databasing en delen van experimentele gegevens zonder de noodzaak van extra uitgebreide investeringen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Wij erkennen dankbaar steun van de NIH (NS057198, EB00790, MH111359 en S10RR029050) en het ministerie van onderwijs, jeugd en sport van de Tsjechische Republiek (CEITEC 2020, LQ1601). KK werd gesteund door postdoctorale beurzen van de International Headache Society in 2014 en de wetenschappelijke en technologische onderzoek Raad van Turkije in 2015. MT werd gesteund door de postdoctorale fellowship van de Duitse Research Foundation (DFG TH 2031/1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MATLAB MathWorks program
Winrar Rarlabs program

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Neurovascular Imaging Laboratory. Use Our Data. , UC San Diego School of Medicine. Available from: https://neurosciences.ucsd.edu/research/labs/nil/Pages/UseOurData.aspx (2017).
  2. Craddock, R. C., et al. Imaging human connectomes at the macroscale. Nat Methods. 10 (6), 524-539 (2013).
  3. Devor, A., et al. Frontiers in optical imaging of cerebral blood flow and metabolism. J Cereb Blood Flow Metab. 32 (7), 1259-1276 (2012).
  4. Ji, N., Freeman, J., Smith, S. L. Technologies for imaging neural activity in large volumes. Nat Neurosci. 19 (9), 1154-1164 (2016).
  5. Maze, I., et al. Analytical tools and current challenges in the modern era of neuroepigenomics. Nat Neurosci. 17 (11), 1476-1490 (2014).
  6. Medland, S. E., Jahanshad, N., Neale, B. M., Thompson, P. M. Whole-genome analyses of whole-brain data: working within an expanded search space. Nat Neurosci. 17 (6), 791-800 (2014).
  7. Osten, P., Margrie, T. W. Mapping brain circuitry with a light microscope. Nat Methods. 10 (6), 515-523 (2013).
  8. Poldrack, R. A., Farah, M. J. Progress and challenges in probing the human brain. Nature. 526 (7573), 371-379 (2015).
  9. Kotter, R. Neuroscience databases: tools for exploring brain structure-function relationships. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 356 (1412), 1111-1120 (2001).
  10. Uhlirova, H., et al. The roadmap for estimation of cell-type-specific neuronal activity from non-invasive measurements. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 371 (1705), (2016).
  11. Aine, C. J., et al. Multimodal Neuroimaging in Schizophrenia: Description and Dissemination. Neuroinformatics. , (2017).
  12. Amunts, K., et al. BigBrain: an ultrahigh-resolution 3D human brain model. Science. 340 (6139), 1472-1475 (2013).
  13. Laird, A. R., Lancaster, J. L., Fox, P. T. BrainMap: the social evolution of a human brain mapping database. Neuroinformatics. 3 (1), 65-78 (2005).
  14. Lein, E. S., et al. Genome-wide atlas of gene expression in the adult mouse brain. Nature. 445 (7124), 168-176 (2007).
  15. Shin, D. D., Ozyurt, I. B., Liu, T. T. The Cerebral Blood Flow Biomedical Informatics Research Network (CBFBIRN) database and analysis pipeline for arterial spin labeling MRI data. Front Neuroinform. 7, 21 (2013).
  16. Uhlirova, H., et al. Neurovascular Network Explorer 2.0: A Database of 2-Photon Single-Vessel Diameter Measurements from Mouse SI Cortex in Response To Optogenetic Stimulation. Front Neuroinform. 11, 4 (2017).
  17. Sridhar, V. B., Tian, P., Dale, A. M., Devor, A., Saisan, P. A. Neurovascular Network Explorer 1.0: a database of 2-photon single-vessel diameter measurements with MATLAB((R)) graphical user interface. Front Neuroinform. 8, 56 (2014).
  18. Tian, P., et al. Cortical depth-specific microvascular dilation underlies laminar differences in blood oxygenation level-dependent functional MRI signal. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (34), 15246-15251 (2010).
  19. Neurovascular Imaging Laboratory. Use Our Data. , UC San Diego School of Medicine. Available from: https://neurosciences.ucsd.edu/research/labs/nil/Pages/UseOurData.aspx (2017).
  20. Uhlirova, H., et al. Cell type specificity of neurovascular coupling in cerebral cortex. Elife. 5, (2016).
  21. Gagnon, L., et al. Quantifying the microvascular origin of BOLD-fMRI from first principles with two-photon microscopy and an oxygen-sensitive nanoprobe. J Neurosci. 35 (8), 3663-3675 (2015).
  22. Sakadzic, S., et al. Two-photon high-resolution measurement of partial pressure of oxygen in cerebral vasculature and tissue. Nat Methods. 7 (9), 755-759 (2010).
  23. Nizar, K., et al. In vivo stimulus-induced vasodilation occurs without IP3 receptor activation and may precede astrocytic calcium increase. J Neurosci. 33 (19), 8411-8422 (2013).
  24. Reznichenko, L., et al. In vivo alterations in calcium buffering capacity in transgenic mouse model of synucleinopathy. J Neurosci. 32 (29), 9992-9998 (2012).
  25. Langer, J., Rose, C. R. Synaptically induced sodium signals in hippocampal astrocytes in situ. J Physiol. 587 (Pt 24), 5859-5877 (2009).
  26. Gong, Y., et al. High-speed recording of neural spikes in awake mice and flies with a fluorescent voltage sensor. Science. 350 (6266), 1361-1366 (2015).
  27. Tantama, M., Hung, Y. P., Yellen, G. Optogenetic reporters: Fluorescent protein-based genetically encoded indicators of signaling and metabolism in the brain. Prog Brain Res. 196, 235-263 (2012).
  28. Devor, A., et al. "Overshoot" of O(2) is required to maintain baseline tissue oxygenation at locations distal to blood vessels. J Neurosci. 31 (38), 13676-13681 (2011).
  29. Devor, A., et al. Stimulus-induced changes in blood flow and 2-deoxyglucose uptake dissociate in ipsilateral somatosensory cortex. J Neurosci. 28 (53), 14347-14357 (2008).
  30. Rauch, A., Rainer, G., Logothetis, N. K. The effect of a serotonin-induced dissociation between spiking and perisynaptic activity on BOLD functional MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (18), 6759-6764 (2008).
  31. Lemmon, V. P., et al. Minimum information about a spinal cord injury experiment: a proposed reporting standard for spinal cord injury experiments. J Neurotrauma. 31 (15), 1354-1361 (2014).
  32. Ascoli, G. A., Donohue, D. E., Halavi, M. NeuroMorpho.Org: a central resource for neuronal morphologies. J Neurosci. 27 (35), 9247-9251 (2007).
  33. Mennes, M., Biswal, B. B., Castellanos, F. X., Milham, M. P. Making data sharing work: the FCP/INDI experience. Neuroimage. 82, 683-691 (2013).
  34. Marmarou, A., et al. IMPACT database of traumatic brain injury: design and description. J Neurotrauma. 24 (2), 239-250 (2007).

Tags

Neurowetenschappen kwestie 135 automatische gegevensverwerking gegevensverzameling weergave van gegevens Databases als onderwerp Search Engine neurowetenschappen neuroinformatics grafische user interface MATLAB 2-foton beeldvorming Somatosensorische cortex arteriolen doorbloeding hemodynamiek cerebrovasculaire omloop
Neurovasculaire netwerk Explorer 2.0: Een eenvoudig hulpmiddel voor het verkennen van en het delen van een Database van Optogenetically opgeroepen Vasomotion in muis Cortex In Vivo
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Uhlirova, H., Tian, P.,… More

Uhlirova, H., Tian, P., Kılıç, K., Thunemann, M., Sridhar, V. B., Chmelik, R., Bartsch, H., Dale, A. M., Devor, A., Saisan, P. A. Neurovascular Network Explorer 2.0: A Simple Tool for Exploring and Sharing a Database of Optogenetically-evoked Vasomotion in Mouse Cortex In Vivo. J. Vis. Exp. (135), e57214, doi:10.3791/57214 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter