Un team di scienziati presso l’Allen Institute for Brain Science sta rendendo disponibile al pubblico un atlante a livello cellulare 3D costruito manualmente del cervello del topo completo. Derivata dalle immagini seriali del tomografo a due fotoni del cervello di 1.657 topi, questa terza iterazione di Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework, o CCFv3, è il risultato di tre anni di raccolta e disegno di dati intensivi.
“Speriamo che la più ampia comunità di neuroscienze lo userà come un nuovo atlante di riferimento standard”, ha detto Lydia Ng, PhD, che è Senior director of technology presso l’Allen Institute for Brain Science, e uno degli autori senior sul documento atlas, che è pubblicato su Cell. “Rendendo il nostro atlante e i relativi strumenti open access, nuovi dati e tipi di dati generati nella nostra comunità possono essere più facilmente integrati e confrontati nello stesso contesto spaziale, e l’atlante, a sua volta, può essere modificato man mano che la nostra conoscenza sulla struttura del cervello si evolve.”
Ha aggiunto l’autrice co-senior, Julie Harris, PhD, associate director of neuroanatomy presso l’Allen Institute for Brain Science, ” Gli atlanti di riferimento sono strumenti veramente multiuso che vengono utilizzati per insegnare la neuroanatomia, fornendo una nomenclatura comune per identificare le regioni del cervello, supportando le analisi per descrivere dove sono stati raccolti i dati e rappresentando le nostre attuali conoscenze collettive”I ricercatori hanno riferito sulla mappa CCFv3 in un rapporto intitolato “The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: A 3D Reference Atlas.”
Questo video mostra una fusione di dati nel quadro CCF L’immagine in scala di grigi di sfondo rappresenta l’anatomia media di 1.675 singoli esemplari che costituiscono la base per il sistema di coordinate comune. Le linee curve colorate rappresentavano le linee di flusso campionate. La corteccia del mouse è un foglio 3D organizzato in strati in cui la connessione tra gli strati è tipicamente perpendicolare alla superficie, suggerendo un’ipotetica organizzazione colonnare. La curvatura della corteccia rende difficile la visualizzazione lungo questa dimensione teorica. Queste linee di corrente sono una stima di questi “verticali” in base alla geometria curva. Per vedere se le linee di flusso riflettono la curvatura reale, le abbiamo confrontate con dati reali. L’immagine colorata hotmetal è un composto di più set di dati per visualizzare la forma del dendrite spesso trapuntato di neuroni piramidali L5 che sono stati etichettati selettivamente con l’iniezione di tracciante virale Cre-dipendente nella linea di driver Sim1-Cre_KJ18 o A930038C07Rik-Tg1-Cre. Ogni set di dati è stato registrato nel CCF per consentire la sovrapposizione dei dati da ~ 100 campioni.
Il cervello del topo contiene circa 100 milioni di cellule in centinaia di regioni diverse. La conoscenza della neuroanatomia del cervello del topo è progredita drammaticamente negli ultimi dieci anni, con l’avvento di progetti di mappatura del cervello intero che aggiungono nuovi tipi di dati e rivelano l’architettura cellulare in ricchi nuovi dettagli.
Collaborazioni internazionali su larga scala stanno generando importanti indagini su tipi di cellule e connessioni nel cervello del topo, raccogliendo grandi quantità di dati tra modalità, scale spaziali e aree cerebrali, hanno spiegato gli autori. E mentre i set di dati delle neuroscienze diventano più grandi e complessi, una mappa spaziale comune del cervello diventa più critica, così come la capacità di co-registrare con precisione molti diversi tipi di dati in uno spazio 3D comune per confrontare e correlare.
“Recenti collaborazioni internazionali su larga scala stanno generando importanti indagini su tipi di cellule e connessioni nel cervello del topo, raccogliendo grandi quantità di dati tra modalità, scale spaziali e aree cerebrali”, ha commentato il team. “Una corretta integrazione di questi dati richiede un atlante di riferimento 3D standard.”Ciò significa che i moderni atlanti di riferimento digitali devono evolversi per rimanere aggiornati, ha commentato Harris. “Tuttavia, gli atlanti standard classici non soddisfano le esigenze di questi set di dati a risoluzione cellulare in 3D. Quindi, abbiamo prodotto un vero atlante 3D per fungere da quadro anatomico standard per i set di dati dell’intero cervello prodotti.”
L’intero cervello CCFv3 si basa su una versione parziale rilasciata nel 2016 che ha mappato l’intera corteccia del mouse, il guscio più esterno del cervello. Le versioni precedenti di atlas erano mappe 3D a risoluzione inferiore, mentre la risoluzione di CCFv3 è abbastanza buona da poter individuare le posizioni delle singole celle. L’allineamento di diversi tipi di set di dati in CCFv3 ha permesso ai ricercatori di etichettare più di 800 strutture cerebrali. Così facendo, hanno identificato diverse strutture cerebrali non precedentemente descritte negli atlanti standard del cervello del topo e diversi nuovi tratti di fibre nervose non descritti in altri atlanti.
“CCFv3 è parcellizzato in 43 aree isocorticali e loro strati, 329 strutture di materia grigia sottocorticale, 81 tratti di fibre e 8 strutture ventricolari (per emisfero)”, hanno spiegato gli scienziati. “Dato che ogni set di dati rivela un modello di etichettatura unico per determinate regioni del cervello del topo, la combinazione di tutti questi tipi di dati dovrebbe completarsi o confermarsi a vicenda, dimostrando un enorme vantaggio metodologico per definire con precisione le strutture cerebrali”, ha osservato Ng.
Gli autori affermano che CCFv3 ha una risoluzione spaziale più elevata di qualsiasi spazio di riferimento del cervello del mouse 3D attualmente esistente basato sulla risonanza magnetica. Poiché CCFv3 è una media di una vasta popolazione di topi, può essere utilizzato per studiare la variabilità interindividuale nei volumi delle strutture cerebrali 3D nel contesto di diversi stati patologici. Inoltre, molti dettagli anatomici erano evidenti nel cervello medio che non erano facilmente distinguibili in nessun singolo cervello di topo.
Può essere pensato come l’equivalente neuroscienziato del GPS di un telefono, suggerisce l’Allen Institute. Invece di cercare manualmente la tua posizione su una mappa cartacea in base a ciò che vedi intorno a te, il GPS (e il nuovo atlante del cervello) ti dice dove ti trovi. Con set di dati in migliaia o milioni di diversi pezzi di informazioni, che insieme comune di coordinate—e individuare i corrispondenti punti di riferimento del cervello per quelle coordinate—è fondamentale.
” Ai vecchi tempi, le persone definivano diverse regioni del cervello a occhio. Man mano che otteniamo sempre più dati, la cura manuale non si ridimensiona più”, ha affermato Ng. “Proprio come abbiamo una sequenza del genoma di riferimento, è necessario un anatomia di riferimento.”
Storicamente, gli atlanti cerebrali sono stati disegnati in 2D, prendendo viste simili a fogli del cervello a diverse profondità e allineandoli. Per alcuni tipi di dati, questa forma di mappatura del cervello funziona bene. Ma per i moderni studi di neuroscienze che esaminano l’attività dei neuroni o le caratteristiche delle cellule in tutto il cervello, un atlante 3D offre un contesto migliore. Per rendere l’atlante, i ricercatori hanno rotto il cervello in piccoli blocchi 3D virtuali, noti come voxel, e assegnato ogni blocco una coordinata unica. I dati che hanno alimentato quella costruzione 3D provenivano dall’anatomia cerebrale media di 1.675 diversi animali. Il team ha quindi assegnato ciascuno di questi voxel a una delle centinaia di diverse regioni conosciute del cervello del mouse, disegnando confini attenti tra aree distinte.
I set di dati che hanno alimentato questi due aspetti dell’atlante provenivano da diversi tipi di esperimenti condotti presso l’Allen Institute negli ultimi anni. “Per aiutare con precise delineazioni areali, abbiamo compilato e curato set di dati di riferimento multimodali deformabilmente registrati nel cervello del modello medio”, hanno spiegato gli autori. “I dati di riferimento includevano macchie istologiche, immunoistochimica, espressione del transgene, ibridazione in situ (ISH) e esperimenti di connettività tracciante anterograda.”Questa spina dorsale di diversi tipi di dati rende l’atlante unico tra atlanti cerebrali di riferimento, hanno detto i ricercatori.
“Ora stiamo usando questo atlante come spazio di riferimento anatomico comune per molti progetti su larga scala, tra cui la mappatura dei circuiti del cervello intero, le ricostruzioni a cellule singole e la generazione di un censimento completo delle cellule cerebrali”, ha dichiarato Harris. “Tutti questi dati, e ciò che impariamo sull’architettura del cervello a sua volta, a un certo punto richiederanno un atlante 3D aggiornato di nuova generazione, anche se è probabile che sia costruito con metodi diversi, più automatizzati e basati sui dati.”
Le future iterazioni di atlas si baseranno quindi probabilmente sull’apprendimento automatico o su altre forme di automazione, piuttosto che sulla laboriosa cura manuale che è entrata nella versione corrente. “Come sappiamo ora, gli atlanti dovrebbero evolversi e vivere le risorse, perché man mano che impariamo di più su come è organizzato il cervello, avremo bisogno di fare aggiornamenti”, ha detto Harris. “Costruire atlanti in modo automatico e imparziale è dove il campo si sta probabilmente muovendo.”
Allen CCF è ad accesso aperto e disponibile con gli strumenti correlati all’indirizzo https://portal.brain-map.org/