een team van wetenschappers aan het Allen Institute for Brain Science maakt een handmatig geconstrueerde, 3D cellulaire atlas van het complete muizenbrein beschikbaar voor het publiek. Deze derde iteratie van het Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework, of Ccfv3, is het resultaat van drie jaar intensief data verzamelen en tekenen.”We hopen dat de bredere neurowetenschapsgemeenschap het zal gebruiken als een nieuwe standaard referentieatlas,” zei Lydia Ng, PhD, die senior director of technology is aan het Allen Institute for Brain Science, en een van de senior auteurs op het Atlas paper, dat wordt gepubliceerd in Cell. “Door onze atlas en gerelateerde tools open access te maken, kunnen nieuwe data en datatypes die in onze gemeenschap worden gegenereerd gemakkelijker worden geïntegreerd en vergeleken in dezelfde ruimtelijke context, en kan de atlas op zijn beurt worden aangepast naarmate onze kennis over hersenstructuur evolueert.”
Added co-senior author, Julie Harris, PhD, associate director of neuroanatomy at the Allen Institute for Brain Science, ” Referentieatlassen zijn echt multifunctionele tools die worden gebruikt voor het onderwijzen van neuroanatomie, het verstrekken van gemeenschappelijke nomenclatuur om hersengebieden te identificeren, het ondersteunen van analyses om te beschrijven waar gegevens werden verzameld, en het vertegenwoordigen van onze collectieve huidige kennis over de organisatie van de hersenstructuur.”De onderzoekers rapporteerden over de ccfv3 kaart in een rapport getiteld,” The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: a 3D Reference Atlas.”
deze video toont een samenvoeging van gegevens in het CCF-kader de afbeelding in grijswaarden op de achtergrond vertegenwoordigt de gemiddelde anatomie van 1.675 individuele specimens die de basis vormen voor het gemeenschappelijke coördinatenstelsel. De gekleurde gebogen lijnen vertegenwoordigd bemonsterde stroomlijnen. De muis cortex is een 3D-blad georganiseerd in lagen waar de verbinding tussen de lagen is meestal loodrecht op het oppervlak, suggereert een hypothetische zuilvormige organisatie. De kromming van de cortex maakt het moeilijk om langs deze theoretische dimensie te visualiseren. Deze stroomlijnen zijn een schatting van deze” verticalen ” gebaseerd op de gebogen meetkunde. Om te zien of de stroomlijnen de ware kromming weergeven hebben we ze vergeleken met echte gegevens. De hotmetal gekleurde afbeelding is een samenstelling van meerdere datasets om de vorm van dik getuft dendriet van L5 piramide neuronen die selectief werden geëtiketteerd met Cre-afhankelijke virale tracer injectie in de Sim1-Cre_KJ18 of A930038C07Rik-TG1-Cre driver lijn visualiseren. Elke dataset werd geregistreerd aan de CCF om de overlappende gegevens van ~100 specimens toe te staan.
de muizenhersenen bevatten ongeveer 100 miljoen cellen in honderden verschillende regio ‘ s. De kennis van neuroanatomie van muizenhersenen is dramatisch in de afgelopen tien jaar vooruitgegaan, met de komst van projecten van het in kaart brengen van hele hersenen die nieuwe Gegevenstypes toevoegen en cellulaire architectuur in rijk nieuw detail openbaren.
grootschalige internationale samenwerkingen genereren grote enquãates van celtypes en verbindingen in de hersenen van muizen, waarbij grote hoeveelheden gegevens worden verzameld over modaliteiten, ruimtelijke schalen en hersengebieden, legden de auteurs uit. En naarmate de datasets van de neurowetenschappen groter en complexer worden, wordt een gemeenschappelijke ruimtelijke kaart van de hersenen kritischer, evenals de mogelijkheid om veel verschillende soorten gegevens precies te co-registreren in een gemeenschappelijke 3D-ruimte om te vergelijken en te correleren.
” recente grootschalige internationale samenwerkingen genereren belangrijke enquãates van celtypes en verbindingen in het muizenhersenen, waarbij grote hoeveelheden gegevens worden verzameld over modaliteiten, ruimtelijke schalen en hersengebieden,” merkte het team op. “Voor een succesvolle integratie van deze gegevens is een standaard 3D-referentieatlas nodig.”Dit betekent dat moderne digitale referentieatlassen moeten evolueren om actueel te blijven, aldus Harris. “Toch voldoen klassieke standaardatlassen niet aan de eisen van deze datasets met cellulaire resolutie in 3D. daarom hebben we een echt 3D-atlas geproduceerd die dient als een standaard anatomisch kader voor de datasets in de hele hersenen die worden geproduceerd.”
de ccfv3 van de hele hersenen bouwt voort op een gedeeltelijke versie die in 2016 werd uitgebracht en die de volledige muizencortex, de buitenste schil van de hersenen, in kaart bracht. Eerdere versies van de atlas waren 3D-kaarten met een lagere resolutie, terwijl de resolutie van CCFv3 fijn genoeg is om de locaties van individuele cellen te kunnen lokaliseren. Door het uitlijnen van verschillende soorten datasets in CCFv3 konden de onderzoekers meer dan 800 hersenstructuren labelen. Door dit te doen, identificeerden zij verscheidene hersenstructuren niet eerder beschreven in standaard muis hersenen atlassen, en verscheidene nieuwe zenuwvezel traktaten niet beschreven in andere atlassen.
” CCFv3 is verdeeld in 43 isocorticale gebieden en hun lagen, 329 subcorticale grijze materiestructuren, 81 vezelgebieden en 8 ventriculaire structuren (per hemisfeer),” legden de wetenschappers uit. “Gezien het feit dat elke dataset onthult een uniek etiketteringspatroon voor bepaalde muizenhersenregio’ s, het combineren van al deze gegevenstypen moeten elkaar aanvullen of bevestigen, waaruit een enorme methodologische voordeel voor het nauwkeurig definiëren van hersenstructuren,” Ng opgemerkt.
de auteurs zeggen dat CCFv3 een hogere ruimtelijke resolutie heeft dan elke bestaande 3D-muis-hersenreferentieruimte op basis van magnetic resonance imaging. Omdat CCFv3 een gemiddelde is van een grote populatie muizen, kan het worden gebruikt om inter-individuele variabiliteit in de volumes van 3D-hersenstructuren in de context van verschillende ziektestaten te bestuderen. Bovendien waren veel anatomische details zichtbaar in de gemiddelde hersenen die niet gemakkelijk waarneembaar waren in een enkel muizenbrein.
het kan worden beschouwd als het neurowetenschappelijke equivalent van de GPS van een telefoon, stelt het Allen Institute. In plaats van handmatig te zoeken naar je locatie op een papieren kaart op basis van wat je om je heen ziet, vertelt de GPS (en de nieuwe hersenatlas) je waar je bent. Met datasets in de duizenden of miljoenen verschillende stukjes informatie, is die gemeenschappelijke set van coördinaten—en het aanwijzen van de overeenkomstige herkenningspunten voor die coördinaten—cruciaal.
” vroeger definieerden mensen verschillende gebieden van de hersenen met het oog. Naarmate we meer en meer gegevens krijgen, schaalt die handmatige curatie niet meer”, zegt Ng. “Net zoals we een referentie-genoomsequentie hebben, heb je een referentie-anatomie nodig.”
historisch gezien werden hersenatlassen getekend in 2D, waarbij vel-achtige beelden van de hersenen op verschillende diepten werden genomen en ze op een rij werden gezet. Voor sommige soorten gegevens werkt deze vorm van hersenafbeelding goed. Maar voor moderne neurowetenschapsstudies die kijken naar neuronactiviteit of celkarakteristieken in het hele brein, geeft een 3D-atlas een betere context. Om de atlas te maken, verdeelden de onderzoekers de hersenen in kleine virtuele 3D-blokken, bekend als voxels, en gaven elk blok een unieke coördinaat. De gegevens die in die 3D-constructie werden ingevoerd, kwamen van de gemiddelde hersenanatomie van 1.675 verschillende dieren. Het team vervolgens toegewezen elk van deze voxels aan een van de honderden verschillende bekende gebieden van de muis hersenen, het tekenen van zorgvuldige grenzen tussen verschillende gebieden.
de datasets die aan deze twee aspecten van de atlas zijn toegevoegd, zijn afkomstig van verschillende soorten experimenten die in de afgelopen jaren door het Allen Institute zijn uitgevoerd. “Om te helpen met nauwkeurige ruimtelijke afbakening, we gecompileerd en samengesteld multimodale referentie datasets vervormbaar geregistreerd op de gemiddelde template hersenen,” de auteurs uitgelegd. “Referentiegegevens omvatten histologie vlekken, immunohistochemie, transgen expressie ,in situ hybridisatie (ISH), en anterograde tracer connectiviteit experimenten.”Deze ruggengraat van verschillende soorten gegevens maakt de atlas uniek onder referentie hersenen atlassen, de onderzoekers zei.
” we gebruiken nu deze atlas als de gemeenschappelijke anatomische referentieruimte voor vele grootschalige projecten, waaronder het in kaart brengen van het gehele hersencircuit, reconstructies van één cel, en het genereren van een uitgebreide volkstelling van het hersenceltype, ” verklaarde Harris. “Al deze gegevens, en wat we op hun beurt leren over hersenarchitectuur, zullen op een gegeven moment een bijgewerkte 3D-atlas van de volgende generatie vereisen, hoewel deze waarschijnlijk zal worden geconstrueerd met andere, meer geautomatiseerde, data-gedreven methoden.”
toekomstige iteraties van de atlas zullen dus waarschijnlijk gebaseerd zijn op machine learning of andere vormen van automatisering, in plaats van op de moeizame handmatige curatie die in de huidige versie ging. “Zoals we nu weten, atlassen moeten evolueren en levende middelen, want als we meer leren over hoe de hersenen is georganiseerd, zullen we nodig hebben om updates te maken,” Harris zei. “Atlassen bouwen op een automatische, onbevooroordeelde manier is waar het veld waarschijnlijk beweegt.”
de Allen CCF is open access, en beschikbaar met gerelateerde tools op https://portal.brain-map.org/