tým vědců z Allen Institute for Brain Science zpřístupňuje ručně konstruovaný, 3D atlas celulární úrovně kompletního mozku myši. Odvozeno ze sériových dvoufotonových tomografických obrazů mozků 1 657 myší, tato třetí iterace společného souřadnicového rámce Allen Mouse Brain neboli CCFv3 je výsledkem tří let intenzivního sběru a kreslení dat.
„doufáme, že širší neurovědecká komunita ji použije jako nový standardní referenční atlas,“ řekla Lydia Ng, PhD, která je vedoucí technologickou ředitelkou Allen Institute for Brain Science, a jedním z vedoucích autorů na Atlas paper, který je publikován v Cell. „Díky otevřenému přístupu k našemu atlasu a souvisejícím nástrojům lze nová data a datové typy generované v naší komunitě snadněji integrovat a porovnávat ve stejném prostorovém kontextu a atlas lze zase upravit, jak se vyvíjí naše znalosti o struktuře mozku.“
přidán spoluautor, Julie Harris, PhD, associate director neuroanatomy na Allen Institute For Brain Science, “ referenční atlasy jsou skutečně víceúčelové nástroje, které se používají pro výuku neuroanatomie, které poskytují společnou nomenklaturu k identifikaci oblastí mozku, podporují analýzy popisující, kde byla data shromážděna, a reprezentují naše kolektivní současné znalosti o organizaci struktury mozku.“Vědci informovali o mapě CCFv3 ve zprávě s názvem“ The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: a 3D Reference Atlas.“
toto video zobrazuje fúzi dat v rámci CCF obrázek ve stupních šedi na pozadí představuje průměrnou anatomii 1 675 jednotlivých vzorků tvořících základ společného souřadnicového systému. Barevné zakřivené čáry představovaly vzorkované proudnice. Myší kůra je 3D list uspořádaný do vrstev, kde spojení mezi vrstvami je obvykle kolmé k povrchu, což naznačuje hypotetickou sloupcovou organizaci. Zakřivení kůry ztěžuje vizualizaci podél této teoretické dimenze. Tyto proudnice jsou odhadem těchto „vertikálů“ na základě zakřivené geometrie. Abychom zjistili, zda proudnice odrážejí skutečné zakřivení, porovnali jsme je se skutečnými daty. Hotmetalový barevný obraz je složen z více datových souborů pro vizualizaci tvaru hustě všívaného dendritu pyramidových neuronů L5, které byly selektivně označeny injekcí virového indikátoru závislého na Cre do linie ovladače Sim1-Cre_KJ18 nebo a930038c07rik-Tg1-Cre. Každá datová sada byla zaregistrována do CCF, aby umožnila překrytí dat z ~ 100 vzorků.
mozek myši obsahuje přibližně 100 milionů buněk ve stovkách různých oblastí. Znalost neuroanatomie mozku myší v posledním desetiletí dramaticky pokročila, s příchodem projektů mapování celého mozku, které přidávají nové datové typy a odhalují buněčnou architekturu v bohatých nových detailech.
rozsáhlé mezinárodní spolupráce generují velké průzkumy typů buněk a spojení v mozku myši, shromažďují velké množství dat napříč modalitami, prostorovými měřítky a oblastmi mozku, vysvětlili autoři. A jak se datové soubory neurověd zvětšují a složitější, společná prostorová mapa mozku se stává kritičtější, stejně jako schopnost přesně společně registrovat mnoho různých druhů dat do společného 3D prostoru pro porovnání a korelaci.
„nedávné rozsáhlé mezinárodní spolupráce generují velké průzkumy typů buněk a spojení v mozku myši a shromažďují velké množství dat napříč modalitami, prostorovými měřítky a oblastmi mozku,“ komentoval tým. „Úspěšná integrace těchto dat vyžaduje standardní 3D referenční atlas.“To znamená, že moderní digitální referenční atlasy se musí vyvíjet, aby zůstaly aktuální, poznamenal Harris. „Klasické standardní atlasy však nesplňují požadavky těchto datových sad s celulárním rozlišením ve 3D. vytvořili jsme tedy skutečně 3D atlas, který bude sloužit jako standardní anatomický rámec pro vytvářené datové sady celého mozku.“
celý mozek CCFv3 staví na částečné verzi vydané v roce 2016, která mapovala celou myší kůru, nejvzdálenější skořápku mozku. Předchozí verze atlasu byly 3D mapy s nižším rozlišením, zatímco rozlišení CCFv3 je natolik jemné, že dokáže určit umístění jednotlivých buněk. Zarovnání různých typů datových souborů do CCFv3 umožnilo vědcům označit více než 800 mozkových struktur. Tímto způsobem identifikovali několik mozkových struktur, které nebyly dříve popsány ve standardních atlasech mozku myší, a několik nových traktů nervových vláken, které nebyly popsány v jiných atlasech.
„CCFv3 je parcelován do 43 izokortikálních oblastí a jejich vrstev, 329 subkortikálních struktur šedé hmoty, 81 vláknitých traktů a 8 komorových struktur (na hemisféru),“ vysvětlili vědci. „Vzhledem k tomu, že každá datová sada odhaluje jedinečný vzor označování určitých oblastí mozku myší, kombinace všech těchto datových typů by se měla navzájem doplňovat nebo potvrzovat, což by prokázalo obrovskou metodickou výhodu pro přesné definování mozkových struktur,“ poznamenal Ng.
autoři tvrdí, že CCFv3 má vyšší prostorové rozlišení než jakýkoli aktuálně existující 3D myší mozkový referenční prostor založený na zobrazování magnetickou rezonancí. Protože CCFv3 je průměr z velké populace myší, může být použit ke studiu interindividuální variability objemů 3D mozkových struktur v kontextu různých chorobných stavů. Kromě toho bylo v průměrném mozku patrné mnoho anatomických detailů,které nebyly snadno rozpoznatelné v žádném mozku myši.
lze jej považovat za neurovědný ekvivalent GPS telefonu, navrhuje Allen Institute. Namísto ručního vyhledávání vaší polohy na papírové mapě na základě toho, co vidíte kolem sebe, GPS (a nový atlas mozku) vám řekne, kde jste. S datovými soubory v tisících nebo milionech různých informací, tato společná sada souřadnic – a určení odpovídajících orientačních bodů mozku pro tyto souřadnice-je zásadní.
“ za starých časů by lidé definovali různé oblasti mozku okem. Jak získáváme další a další data, tak už se tato manuální kurace nerozšiřuje, “ řekl Ng. „Stejně jako máme referenční sekvenci genomu, potřebujete referenční anatomii.“
historicky byly atlasy mozku nakresleny ve 2D, přičemž se v různých hloubkách zobrazovaly pohledy na mozek a seřizovaly je. U některých typů dat funguje tato forma mapování mozku dobře. Ale pro moderní neurovědní studie, které se zabývají neuronovou aktivitou nebo buněčnými charakteristikami v celém mozku, poskytuje 3D atlas lepší kontext. Aby vytvořili atlas, vědci rozdělili mozek na malé virtuální 3D bloky, známé jako voxely, a každému bloku přidělili jedinečnou souřadnici. Data, která se do této 3D konstrukce dostala, pocházela z průměrné anatomie mozku 1 675 různých zvířat. Tým pak přidělil každý z těchto voxelů do jedné ze stovek různých známých oblastí mozku myši, kreslení pečlivých hranic mezi odlišnými oblastmi.
datové sady, které se dostaly do těchto dvou aspektů atlasu, pocházely z několika různých druhů experimentů provedených v Allenově institutu v posledních několika letech. „Abychom pomohli s přesnými oblastními vymezení, sestavili jsme a kurátorovali multimodální referenční datové sady deformovatelně registrované na průměrný templátový mozek,“ vysvětlili autoři. „Referenční údaje zahrnovaly histologické skvrny, imunohistochemii, expresi transgenu, hybridizaci in situ (ISH) a experimenty s konektivitou anterográdu.“Tato páteř různých typů dat činí atlas jedinečným mezi referenčními atlasy mozku, uvedli vědci.
„nyní používáme tento atlas jako společný anatomický referenční prostor pro mnoho rozsáhlých projektů, včetně mapování celého mozku, rekonstrukcí jednotlivých buněk a generování komplexního sčítání mozkových buněk,“ uvedl Harris. „Všechna tato data a to, co se dozvídáme o architektuře mozku, budou v určitém okamžiku vyžadovat aktualizovaný 3D atlas nové generace, i když je pravděpodobné, že bude konstruován s různými, automatizovanějšími metodami založenými na datech.“
budoucí iterace Atlasu se tak pravděpodobně budou spoléhat spíše na strojové učení nebo jiné formy automatizace než na pracné manuální kurátorství, které šlo do aktuální verze. „Jak nyní víme, atlasy by se měly vyvíjet a žít zdroje, protože jak se dozvíme více o tom, jak je mozek organizován, budeme muset provést aktualizace,“ řekl Harris. „Budování atlasů automatickým, nezaujatým způsobem je místem, kde se pole pravděpodobně pohybuje.“
Allen CCF je otevřený přístup a je k dispozici s příslušnými nástroji na adrese https://portal.brain-map.org/