az Allen agytudományi Intézet tudóscsoportja nyilvánosan elérhetővé teszi a teljes egér agyának kézzel készített, 3D sejtszintű atlaszát. Az Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework (CCFv3) harmadik iterációja 1657 egér agyának soros kétfoton tomográf képeiből származik, három év intenzív adatgyűjtés és rajz eredménye.
“reméljük, hogy a szélesebb idegtudományi közösség új standard referencia atlaszként fogja használni” – mondta Lydia Ng, PhD, aki az Allen agytudományi Intézet technológiai igazgatója, és az atlas tanulmány egyik vezető szerzője, amely a Cell-ben jelent meg. “Az atlasz és a kapcsolódó eszközök nyílt hozzáférhetővé tételével a közösségünkben létrehozott új adatok és adattípusok könnyebben integrálhatók és összehasonlíthatók ugyanabban a térbeli kontextusban, és az atlasz viszont módosítható, ahogy az agyi struktúrával kapcsolatos ismereteink fejlődnek.”
hozzáadott társ-vezető Szerző, Julie Harris, PhD, társigazgatója Neuroanatómia az Allen Institute For Brain Science, “referencia atlaszok valóban többcélú eszközöket használnak a tanítás Neuroanatómia, amely közös nómenklatúra azonosítani agyi régiók, támogató elemzések leírására, ahol adatokat gyűjtöttek, és képviselő kollektív jelenlegi ismeretek a szervezet az agy szerkezetét.”A kutatók a CCFv3 térképről számoltak be egy jelentésben, amelynek címe: “az Allen egér agy közös koordináta keretrendszer: 3D referencia Atlasz.”
ez a videó az adatok fúzióját ábrázolja a CCF keretrendszerben a háttér szürkeárnyalatos kép 1675 egyedi példány átlagos anatómiáját képviseli, amely a közös koordináta-rendszer alapját képezi. A színes ívelt vonalak a mintavételezett egyszerűsítéseket ábrázolták. Az egérkéreg egy rétegekbe szervezett 3D-s lap, ahol a rétegek közötti kapcsolat jellemzően merőleges a felületre, ami hipotetikus oszlopos szerveződésre utal. A kéreg görbülete megnehezíti az elméleti dimenzió mentén történő megjelenítést. Ezek az egyszerűsítések ezen “függőlegesek” becslését jelentik az ívelt geometria alapján. Annak érdekében, hogy az egyszerűsítések tükrözzék-e a valódi görbületet, összehasonlítottuk őket a valós adatokkal. A hotmetal színes kép több adatkészlet kompozitja az L5 piramis neuronok vastag csomós dendritjének alakjának vizualizálására, amelyeket szelektíven CRE-függő vírusos nyomjelző injekcióval jelöltek a Sim1-Cre_KJ18 vagy A930038C07Rik-Tg1-Cre vezető vonalba. Minden adatkészletet regisztráltak a CCF-be, hogy lehetővé tegyék a ~100 példány átfedő adatait.
az egér agya körülbelül 100 millió sejtet tartalmaz több száz különböző régióban. Az egér agy neuroanatómiájának ismerete drámai módon fejlődött az elmúlt évtizedben, az egész agy feltérképezési projektjeinek megjelenésével új adattípusokat adtak hozzá, és gazdag új részletekkel tárták fel a sejtszerkezetet.
nagyszabású nemzetközi együttműködések jelentős felméréseket generálnak az egér agyának sejttípusairól és kapcsolatairól, nagy mennyiségű adatot gyűjtve modalitásokon, térbeli skálákon és agyi területeken. És ahogy az idegtudományi adatkészletek egyre nagyobbak és összetettebbek lesznek, az agy közös térbeli térképe kritikusabbá válik, ahogy az a képesség is, hogy sok különböző adatot pontosan együtt regisztrál egy közös 3D-s térben az összehasonlítás és a korreláció érdekében.
“a legutóbbi nagyszabású nemzetközi együttműködések jelentős felméréseket generálnak az egér agyának sejttípusairól és kapcsolatairól, nagy mennyiségű adatot gyűjtve a modalitások, a térbeli skálák és az agyterületek között” – kommentálta a csapat. “Ezen adatok sikeres integrálásához szabványos 3D referencia atlasz szükséges.”Ez azt jelenti, hogy a modern digitális referencia-atlaszoknak fejlődniük kell, hogy naprakészek maradjanak-kommentálta Harris. “A klasszikus standard atlaszok azonban nem felelnek meg ezeknek a 3D-s sejtfelbontású adatkészleteknek. így készítettünk egy valóban 3D-s atlaszt, amely szabványos anatómiai keretként szolgál az előállított egész agy adatkészleteihez.”
a teljes agyú CCFv3 egy 2016-ban kiadott részleges verzióra épül, amely feltérképezte a teljes egérkérget, az agy legkülső héját. Az atlas korábbi verziói alacsonyabb felbontású 3D-s térképek voltak, míg a CCFv3 felbontása elég finom ahhoz, hogy pontosan meg tudja határozni az egyes cellák helyét. A különböző típusú adatkészletek CCFv3-ba történő igazítása lehetővé tette a kutatók számára, hogy több mint 800 agyi struktúrát jelöljenek meg. Ezzel számos olyan agyi struktúrát azonosítottak, amelyeket korábban nem írtak le a szokásos egér agyi atlaszokban, valamint számos új idegrost-traktust, amelyeket más atlaszokban nem írtak le.
” a CCFv3 43 izokortikális területre és azok rétegeire, 329 szubkortikális szürkeállomány-struktúrára, 81 szálas traktusra és 8 kamrai struktúrára van felosztva (félgömbönként)” – magyarázta a tudósok. “Tekintettel arra, hogy minden adatkészlet egyedi címkézési mintát tár fel bizonyos egéragyi régiók számára, ezen adattípusok kombinálásának ki kell egészítenie vagy meg kell erősítenie egymást, óriási módszertani előnyt mutatva az agyi struktúrák pontos meghatározásához” – jegyezte meg Ng.
a szerzők azt mondják, hogy a CCFv3 nagyobb térbeli felbontással rendelkezik, mint a mágneses rezonancia képalkotáson alapuló jelenleg létező 3D egér agyi referenciaterület. Mivel a CCFv3 az egerek nagy populációjának átlaga, felhasználható a 3D agyi struktúrák térfogatának egyének közötti változékonyságának tanulmányozására a különböző betegségállapotok összefüggésében. Ezenkívül számos anatómiai részlet volt nyilvánvaló az átlagos agyban, amelyek egyetlen egér agyában sem voltak könnyen észrevehetők.
úgy lehet elképzelni, mint egy telefon GPS idegtudományi megfelelőjét, javasolja az Allen Intézet. Ahelyett, hogy manuálisan keresné a tartózkodási helyét egy papír térképen a körülötted látottak alapján, a GPS (és az új agyi atlasz) megmondja, hol vagy. A több ezer vagy millió különböző információban lévő adatkészletek esetében ez a közös koordinátakészlet—és a megfelelő agyi tereptárgyak meghatározása ezekhez a koordinátákhoz—döntő fontosságú.
“a régi időkben az emberek szem alapján határozták meg az agy különböző régióit. Ahogy egyre több adatot kapunk, ez a kézi kuráció már nem méretezhető” – mondta Ng. “Ahogy van egy referencia genomszekvenciánk, szükség van egy referencia anatómiára is.”
történelmileg az agyi atlaszokat 2D-ben rajzolták meg, különböző mélységekben véve az agy lapszerű nézeteit, és felsorakoztatva őket. Bizonyos típusú adatok esetében az agy leképezésének ez a formája jól működik. De a modern idegtudományi tanulmányokhoz, amelyek az egész agy neuron aktivitását vagy sejtjellemzőit vizsgálják, a 3D atlasz jobb kontextust ad. Az atlasz elkészítéséhez a kutatók az agyat apró virtuális 3D blokkokra, úgynevezett voxelekre bontották,és minden blokkhoz egyedi koordinátát rendeltek. A 3D-s szerkezetbe betáplált adatok 1675 különböző állat átlagos agyi anatómiájából származnak. A csapat ezután ezeket a voxeleket az egér agyának több száz ismert régiójának egyikéhez rendelte, óvatos határokat húzva a különböző területek között.
az Atlasz e két aspektusába táplált adatkészletek az Allen Intézetben az elmúlt években végzett különböző kísérletekből származnak. “Annak érdekében, hogy segítsük a pontos területelhatárolást, összeállítottuk és kuráltuk a multimodális referenciaadatokat, amelyek deformálódva regisztráltak az átlagos sablonagyhoz” – magyarázták a szerzők. “A referenciaadatok szövettani foltokat, immunhisztokémiát, transzgén expressziót, in situ hibridizációt (ISH) és anterográd nyomjelző kapcsolódási kísérleteket tartalmaztak.”A különböző típusú adatok gerince egyedülállóvá teszi az Atlaszt a referencia agyi atlaszok között-mondta a kutatók.
“most ezt az atlaszt használjuk közös anatómiai referenciaterületként számos nagyszabású projekthez, beleértve az egész agyi áramkörök feltérképezését, az egysejtes rekonstrukciókat és egy átfogó agysejt-típusú népszámlálás létrehozását”-mondta Harris. “Mindezek az adatok, és amit az agyi architektúráról megtudunk, egy bizonyos ponton szükségessé teszik egy frissített, következő generációs 3D atlaszt, bár valószínűleg más, automatizáltabb, adatközpontú módszerekkel készül.”
az atlas jövőbeli iterációi tehát valószínűleg a gépi tanulásra vagy az automatizálás más formáira támaszkodnak, nem pedig a jelenlegi verzióba kerülő fáradságos kézi kurációra. “Mint tudjuk, az atlaszoknak fejlődniük és élő erőforrásoknak kell lenniük, mert amint többet megtudunk az agy szerveződéséről, frissítésekre lesz szükségünk” – mondta Harris. “Az atlaszok automatikus, elfogulatlan felépítése az, ahol a mező valószínűleg mozog.”
az Allen CCF nyílt hozzáférésű, és a kapcsolódó eszközökkel elérhető a következő címen:https://portal.brain-map.org/