Summary

3D tarama teknolojisi köprüleme mikrodevreler ve Macroscale beyin görüntüleri 3D roman gömme çakışan protokol

Published: May 12, 2019
doi:

Summary

Bu makalede, iki uzamsal ölçekler köprüleme 3D tarama teknolojisi kullanarak deneysel bir protokol tanıttı: MRG tarafından > 100 μm olarak görüntülenmiş tüm beyin anatomisinin makroskopik uzamsal ölçeği ve nöronal dağılımları kullanarak mikroskobik uzamsal ölçek immunohistokimya boyama ve multielektrot dizi sistemi ve diğer Yöntemler (~ 10 μm).

Abstract

İnsan beyni, çok ölçekli sistemi olan, hem makroskopik elektrik sinyalleri, küresel kalın beyaz madde elyaf demetleri boyunca akan, ve mikroskopik nöronal sivri, akons ve dendrites boyunca yayılıyor. Her iki ölçek insan bilişsel ve davranışsal fonksiyonların farklı yönlerini tamamlar. Makroskopik düzeyde MRG, en küçük uzamsal çözünürlüğün, Voksel boyutunun 0,1 – 1 mm3olduğu mevcut standart görüntüleme teknolojisi olmuştur. Ayrıca, mikroskobik düzeyde, önceki fizyolojik çalışmalar bu tür voxels içinde eşit olmayan nöronal mimariler farkındayız. Bu çalışmada, 3D tarama teknolojisindeki teknolojik gelişmeler ile biyolojik bilimsel araştırmalarla arabirim yaparak mikroskobik verileri makroskopik bir haritaya doğru bir şekilde katıştırmak için güçlü bir yol gelişir. 3D tarama teknolojisi çoğunlukla mühendislik ve endüstriyel tasarım için şimdiye kadar kullanılmış olduğundan, ilk kez canlı beyin hücrelerinde doğal spiking korurken tüm beyin içine microconnectomes katıştırmak için repurposed. Bu amaca ulaşmak için, ilk olarak, nemli ve yansıtıcı yüzeyler nedeniyle görüntü için doğal olarak zorlu yaşam biyo-organizmaların doğru 3D görüntüleri elde etmek için bir tarama protokolü inşa ettik. İkinci olarak, biz daha iyi koşullar koruyarak ve beyin dokusunda aktif nöronların daha doğal nöronal sivri kayıt önemli bir faktördür yaşam beyin dokusu, bozulması önlemek için hız tutmak için eğitildi. İki kortikal yüzey görüntüleri, bağımsız olarak iki farklı görüntüleme modülleri, yani MRI ve 3D tarayıcı yüzey görüntüleri, şaşırtıcı bir mesafe hatası gösteren sadece 50 μm histogram modu değeri olarak ayıklanır. Bu doğruluk, hücre içi mesafelerin mikroskobik çözünürlüğüne Ölçekle karşılaştırılabilir; Ayrıca, farklı bireysel fareler arasında kararlı. Bu yeni protokol, çakışan (3D-NEO) protokol katıştırma 3D roman, bu entegratif protokol tarafından türetilen makroskopik ve mikroskobik seviyeleri köprüler ve kapsamlı bağlantı mimarileri (i.e., çalışma için yeni bilimsel bulgular hızlandırır microconnectome).

Introduction

Çeşitli fiziksel ve biyolojik kuruluşlarda bulunan çok ölçekli mimarileri genellikle1,2‘ de bulunur. Beyin aynı zamanda çok eşit olmayan ve çok ölçekli ağ organizasyon3,4. Çeşitli bilişsel fonksiyonlar, bu tür ağ kuruluşlarında kodlanmış, submillisecond temporal çözünürlüklerde nöronal nüfus elektrik başak desenleri temporal değişiklikler tutarak. Tarihsel olarak, nöronlar arasında karmaşık ağlar yapısal ayrıntılı olarak Santiago Ramón y Cajal tarafından 150 yıl önce5‘ ten itibaren boyama teknikleri kullanılarak gözlenmiştir. Aktif nöronların grup davranışlarını gözlemlemek için, araştırmacılar çeşitli kayıt teknolojileri geliştirdik6,7,8, ve bu tür teknolojilerin son önemli gelişmeler bize kayıt sağladı aynı anda çok sayıda nöronların elektrik faaliyetleri. Ayrıca, bu tür işlevsel etkinliklerden, bilim adamları, nöronların çok sayıda arasındaki nedensel etkileşimlerin ağları yeniden inşa etmeye başardı ve karmaşık etkileşimleri ‘ microconnectome ‘ 9 topolojik mimarisi ilan ettiler . Birçok beyin bölgeleri birden fazla Fiber-demetleri ile bağlı çünkü beynin makroskopik gözlemler de bir ağ organizasyonu olarak bir bütün beyin ile ilgili izin verir. Microconnectomes küresel beyin haritası içine gömme hala mevcut teknolojik gelişmeler içinde açık sınırlamalar vardır, bu yüzden bu gömme protokol çok önemlidir. Ancak, gömme protokolünün geliştirilmesi için birçok zorluk vardır. Örneğin, tamamen yalıtılmış beyin bölgelerinde yerel nöronal devrelerin yaşam etkinliklerini gözlemlemek için, beyin dilimleri in vitro kayıtlar için üretilmesi gerekir. Ayrıca, in vitro kayıtlar için Beyin dilimleri kayıtları hala en az iki nedenden dolayı önemli bir seçimdir. İlk olarak, beyin bölgelerinden ~ 1,5 mm ‘den daha derin ve yüksek temporal çözünürlükte (< 1 MS) aynı anda birçok yaşam bireysel nöronların faaliyetlerini gözlemlemek kolay değildir. İkinci olarak, yerel bir nöronal devrenin iç mimarisini bilmeyi umduğunuzda, dış beyin bölgelerinden gelen tüm girişleri, karıştıran faktörleri ortadan kaldırmak için durdurmak gerekir. Yol tarifi ve üretilen Beyin dilimleri konumlarını belirlemek için, bu koordinatları kullanarak bu üretilen Beyin dilimleri uzamsal pozisyonları entegre etmek daha gerekli olacaktır. Ancak, organize bir şekilde beyin dilimleri yapmak için birkaç sistematik ve güvenilir yolları vardır10,11. Burada, Integrative protokol sağlamak için nörobilimsel araştırma için 3D tarama teknolojisini kullanarak yeni bir coregistration Protokolü tanıtıldı. Bu protokol, mikro ve makroölçekleri koordine etmek ve multielektrot dizisi (MEA) mikro veriler12,13 ve boyama verilerini, ayıklanan beynin 3D tarama yüzeyleriyle makroskopik MRG alanına yerleştirecek şekilde davranır, ayrıca noninvazif beyin kaydedildi. Şaşırtıcı bir şekilde, Bu histogram mod değeri olarak sadece ~ 50 μm bir mesafe hatası gösterdi. Sonuç olarak, MRI yüzeyi ile taranan 3B yüzey arasındaki iki yüzey arasındaki minimum mesafelerin mod değerleri, bireyler arasında ortak denetim yaparken uygun bir sayı olan altı fareler için yaklaşık 50 μm idi. Tipik dilim genişliği 300 μm civarında kaydedilmiş bir başak aktivitesine sahipti.

Protocol

Burada açıklanan tüm deneysel prosedürler Kyoto Üniversitesi hayvan bakımı Komitesi tarafından onaylanmıştır. 1. hayvanlar (gün 1) Kadın C57BL/6J fareler hazırlayın (n = 6, yaşlı 3 − 5 hafta).Not: Bu protokol tüm kemirgen türler için geçerlidir. 2. MRI ayarları (gün 1) Bir ısıtıcı mat kontrol cihazı kullanarak 37 °C ‘ ye ayarlanmış bir kalorifer paspas üzerine yerleştirilen bi…

Representative Results

Biz kortikal yüzeyler arasındaki mesafeler değerlendirdi, MRI hacmi sıyırma tarafından üretilen, ve yüzeyler çıkarılan beynin 3D taramaları elde. Mesafelerin histogram mod değerleri sadece 55 μm (Şekil 3A). Ayrıca, histogram uzaklığı sıfır eşittir noktadan biriktirirken, birikmiş değeri% 90 toplam örnek sayıların ~ 300 μm (Şekil 3B) ulaşır. İki yüzey arasındaki mesafelerin son histogram 50 μm ci…

Discussion

İki beyin yüzeyinden daha doğru bir şekilde örtüşerek makroskopik ve mikroskobik uzamsal ölçekleri köprüleyerek 3D-NEO protokolü olarak adlandırılan yeni bir protokol geliştirdik. Aslen, iki beyin yüzeyi görüntülerinin doğru şekilde örtüşmesini ve canlı organizmalardan sağlıklı nöronal faaliyetleri kaydetmesi mümkün kılan bu protokolü oluştururken iki zorluk vardı. İlk olarak, etkili bir şekilde beyin organizması (adım 6,2 protokol) yaralanmadan kafatası ayıkladıktan sonra çıka…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

M.S., Tıp Bilimleri Fakültesi ve Tıp fakültesinde tıbbi bilgi Mühendisliği dersinde bulunan tüm personelden destek için minnettar ve yardımcı oldukları için Prof. Tetsuya Takakuwa, Prof. Nobukatsu Sawamoto ve Doris Zakian ‘a teşekkür etmek istiyor Yorum. Bu çalışmada, zorlu araştırmacı araştırmalar için Grant-ın-Aid ve MEXT (eğitim, kültür, spor, bilim ve Teknoloji Bakanlığı) ‘ dan M.S. mükemmel genç araştırmacılar (LEADER) programının önde gelen girişimi tarafından destekleniyordu. Bu çalışmanın MRG denemeleri küçük hayvan MRG, tıbbi araştırma Destek Merkezi, Tıp Enstitüsü, Kyoto Üniversitesi, Japonya için bölüm ‘de gerçekleştirildi.

Materials

Air compressor Kimura Medical KA-100 Animal preparation for MRI
All-in-one fluorescence microscope KEYENCE BZ-X710
Anesthesia box Bio Research Center RIC-01 Animal preparation for MRI
Anesthesia system ACOMA Medical Industry NS-5000A Animal preparation for MRI
Anti-GAD67, clone 1G10.2 Merk Millipore MAB5406 For immunostaining
Calcium Chrolide nacalai tesque 06729-55 aCSF
Choline Chloride nacalai tesque 08809-45 aCSF
curved blunt forceps
Disposal scalpel Kai 10
D-PBS(-) without Ca and Mg, liquid(10x) nacalai tesque For immunostaining
D(+)-Glucose Wako 049-31165 aCSF
Gelatin nacalai tesque 16605-42 re-secctioning
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 Invitrogen A32723 For immunostaining
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 555 Invitrogen A32732 For immunostaining
Heater mat Bio Research Center HM-10 Animal preparation for MRI
Heater mat controller Bio Research Center BWT-100A Animal preparation for MRI
Heater system SA Instruments MR-compatible Small Animal Heating System Animal preparation for MRI
Isoflurane AbbVie Animal preparation for MRI
Isoflurane vaporizer ACOMA Medical Industry MKIIIai Animal preparation for MRI
Linear Slicer DOSAKA Neo Linear Slicer MT
L(+)-Ascorbic Acid Sodium Salt Wako 196-01252 aCSF
Magnesium Chrolide Hexahydrate Wako 135-00165 aCSF
MaxOne Single-Well MEA MaxWell Biosystems
Metal Spatula
Monitoring system SA Instruments Model 1025 Animal preparation for MRI
Monitoring software SA Instruments PC-SAM V.5.12 Animal preparation for MRI
MRI compatible cradle Bruker BioSpin T12812 Animal preparation for MRI
MRI coil Bruker BioSpin T9988 For MRI
MRI operation software Bruker BioSpin ParaVision 5.1 For MRI
Neo LinearSlicer MT D.S.K. NLS-MT
NeuN (D4G40) XP Rabbit mAb Cell Signaling 24307 For immunostaining
Normal Goat Serum Wako 143-06561 For immunostaining
Potassium Chloride Wako 163-03545 aCSF
Polyethylene Glycol Mono-p-isooctylphenyl Ether nacalai tesque 12967-45 For immunostaining
Pressure-sensitive respiration sensor SA Instruments RS-301 Animal preparation for MRI
Preclinical MRI scanner Bruker BioSpin BioSpec 70/20 USR For MRI
Pyruvic Acid Sodium Salt nacalai tesque 29806-54 aCSF
SCAN in a BOX Open Technologies srl
scissors
Sieve bottle TIGERCROWN 81 For 3D scan
SlowFade Gold Antifade Mountant Invitrogen S36937 For immunostaining
Sodium Chloride Wako 191-01665 aCSF
Sodium Dihydrogenphosphate Wako 197-09705 aCSF
Sodium Hydrogen Carbonate Wako 191-01305 aCSF
Sodium Hydrogensulfite nacalai tesque 31220-15 For immunostaining
Thermistor temperature probe SA Instruments RTP-101-B, PLTPC-300 Animal preparation for MRI
Tooth bar Bruker BioSpin T10146 Animal preparation for MRI
Winged intravenous needle TERUMO SV-23CLK For perfusion
1 mol/l-Tris-HCl Buffer Solution nacalai tesque 35436-01 For immunostaining
1 mol/l-Hydrochloric Acid nacalai tesque 37314-15 For pH adjustment of solution
16%-Paraformaldehyde Aqueous Solution Electron Microscopy Sciences 15710 For immunostaining

References

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

Play Video

Cite This Article
Ide, S., Kajiwara, M., Imai, H., Shimono, M. 3D Scanning Technology Bridging Microcircuits and Macroscale Brain Images in 3D Novel Embedding Overlapping Protocol. J. Vis. Exp. (147), e58911, doi:10.3791/58911 (2019).

View Video