Et team av forskere ved Allen Institute For Brain Science gjør offentlig tilgjengelig en manuelt konstruert, 3d cellulær nivå atlas av komplett mus hjernen. Avledet fra serielle to-foton-tomografbilder av hjernen til 1,657-mus, er denne tredje iterasjonen Av Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework, Eller CCFv3, resultatet av tre års intensiv datainnsamling og tegning.
» vi håper det bredere nevrovitenskapssamfunnet vil bruke det som en ny standard referanseatlas,» Sa Lydia Ng, PhD, som er senior direktør for teknologi Ved Allen Institute For Brain Science, og en av seniorforfatterne på atlas-papiret, som er publisert I Cell. «Ved å gjøre vårt atlas og relaterte verktøy åpen tilgang, kan nye data og datatyper generert over hele samfunnet lettere integreres og sammenlignes i samme romlige kontekst, og atlaset kan i sin tur endres etter hvert som vår kunnskap om hjernestruktur utvikler seg.»
Lagt co-senior forfatter, Julie Harris, PhD, assisterende direktør for nevroanatomi Ved Allen Institute For Brain Science, » Referanse atlaser er virkelig multi-purpose verktøy som brukes for å undervise nevroanatomi, og gir felles nomenklatur for å identifisere hjerneregioner, støtte analyser for å beskrive hvor data ble samlet inn ,og representerer vår kollektive nåværende kunnskap om organisering av hjernestruktur.»Forskerne rapporterte På CCFv3-kartet i en rapport med tittelen» Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: A 3D Reference Atlas.»
denne videoen viser en sammensmelting av data I CCF rammeverket bakgrunnen gråtonebilde representerer gjennomsnittlig anatomi av 1,675 individuelle prøver som danner grunnlaget for den felles koordinatsystem. De fargede buede linjene representerte samplede stromlinjer. Musebarken er ET 3d-ark organisert i lag hvor forbindelsen mellom lagene vanligvis er vinkelrett på overflaten, noe som tyder på en hypotetisk kolonneorganisasjon. Krumningen i cortex gjør det vanskelig å visualisere langs denne teoretiske dimensjonen. Disse strømlinjene er et estimat av disse «vertikaler» basert på den buede geometrien. For å se om strømlinjene gjenspeiler den sanne krumningen, sammenlignet vi dem med ekte data. Det hotmetallfargede bildet er et kompositt av flere datasett for å visualisere formen av tykk-tufted dendrit Av L5 pyramidneuroner som selektivt ble merket Med Cre-avhengig viral tracer injeksjon i Sim1-Cre_KJ18 eller A930038C07Rik-Tg1-Cre driverlinjen. Hvert datasett ble registrert TIL CCF å tillate overliggende data fra ~100 prøver.
musens hjerne inneholder omtrent 100 millioner celler i hundrevis av forskjellige regioner. Kunnskap om mus hjerne neuroanatomy har avansert dramatisk det siste tiåret, med bruk av hele hjernen kartlegging prosjekter legge til nye datatyper og avslørende cellearkitektur i rike nye detaljer.
Store internasjonale samarbeid genererer store undersøkelser av celletyper og forbindelser i musens hjerne, og samler store mengder data på tvers av modaliteter, romlige skalaer og hjerneområder, forklarte forfatterne. Og etter hvert som datasettene for nevrovitenskap blir større og mer komplekse, blir et felles romlig kart over hjernen mer kritisk, og det samme gjør evnen til nøyaktig å registrere mange forskjellige typer data i et felles 3D-rom for å sammenligne og korrelere.
» Nylige store internasjonale samarbeid genererer store undersøkelser av celletyper og forbindelser i musens hjerne, og samler store mengder data på tvers av modaliteter, romlige skalaer og hjerneområder,» kommenterte teamet. «Vellykket integrering av disse dataene krever en standard 3d referanse atlas.»Dette betyr at moderne digitale referanseatlaser må utvikle seg for å holde seg oppdatert, Kommenterte Harris. «Likevel oppfyller klassiske standardatlaser ikke kravene til disse datasettene med celleoppløsning I 3D. Så vi produserte en VIRKELIG 3d-atlas for å tjene som et standard anatomisk rammeverk for hele hjernens datasett som blir produsert.»
hele Hjernen CCFv3 bygger på en delvis versjon utgitt i 2016 som kartlagt hele musebarken, det ytre skallet i hjernen. Tidligere versjoner av atlas var lavere oppløsning 3D-kart, Mens CCFv3 oppløsning er fin nok til at det kan finne individuelle celler’ steder. Å tilpasse ulike typer datasett Til CCFv3 tillot forskerne å merke mer enn 800 hjernestrukturer. Ved å gjøre det, identifiserte de flere hjernestrukturer som ikke tidligere er beskrevet i standard mushjerneatlaser, og flere nye nervefiberkanaler som ikke er beskrevet i andre atlaser.
«CCFv3 er delt inn i 43 isokortiske områder og deres lag, 329 subkortiske gråstoffstrukturer, 81 fiberkanaler og 8 ventrikulære strukturer (per halvkule),» forklarte forskerne. «Gitt at hvert datasett avslører et unikt merkingsmønster for bestemte musehjerneområder, bør kombinere alle disse datatypene utfylle eller bekrefte hverandre, og demonstrere en enorm metodologisk fordel for nøyaktig å definere hjernestrukturer,» bemerket Ng.
forfatterne sier At CCFv3 har høyere romlig oppløsning enn noen eksisterende 3d mus hjernen referanse plass basert på magnetisk resonans imaging. Fordi CCFv3 er et gjennomsnitt fra en stor populasjon av mus, kan Den brukes til å studere inter-individuell variabilitet I volumene AV 3d-hjernestrukturer i sammenheng med forskjellige sykdomstilstander. I tillegg var mange anatomiske detaljer tydelige i den gjennomsnittlige hjernen som ikke var lett synlige i en enkelt musehjerne.
det kan betraktes som nevrovitenskapens ekvivalent AV en telefonens GPS, Foreslår Allen Institute. I stedet for å manuelt søke etter posisjonen din på et papirkart basert på HVA du ser rundt deg, FORTELLER GPS (OG den nye hjerneatlasen) deg hvor du er. Med datasett i tusenvis eller millioner av forskjellige opplysninger, er det felles settet av koordinater—og finne de tilsvarende hjernemerkene for disse koordinatene—avgjørende.
» i gamle dager ville folk definere forskjellige regioner i hjernen ved øyet. Etter hvert som vi får flere og flere data, skalerer ikke den manuelle kureringen lenger,» sa Ng. «Akkurat som vi har en referansegenomsekvens, trenger du en referanseanatomi .»
Historisk ble hjerneatlaser trukket I 2D, og tok arklignende syn på hjernen på forskjellige dybder og lining dem opp. For noen typer data fungerer denne form for hjernekartlegging godt. Men for moderne nevrovitenskapsstudier som ser på nevronaktivitet eller celleegenskaper over hele hjernen, gir ET 3d-atlas bedre kontekst. For å lage atlasen brøt forskerne opp hjernen i små virtuelle 3d-blokker, kjent som voxels, og tildelte hver blokk en unik koordinat. Dataene som ble matet inn I DEN 3D-konstruksjonen, kom fra gjennomsnittlig hjerneanatomi av 1,675 forskjellige dyr. Teamet tildelte deretter hver av disse voxelene til en av hundrevis av forskjellige kjente regioner i musens hjerne, og tegnet forsiktig grenser mellom forskjellige områder.
datasettene som matet inn i disse to aspektene av atlaset, kom fra flere forskjellige typer eksperimenter utført ved Allen Institute de siste årene. «For å bistå med nøyaktige areal avgrensninger, vi samlet og kuratert multimodal referanse datasett deformably registrert til gjennomsnittlig mal hjernen,» forfatterne forklarte. «Referansedata inkluderte histologiske flekker, immunhistokjemi, transgenuttrykk, in situ hybridisering (ISH) og anterograd tracer-tilkoblingseksperimenter.»Denne ryggraden i ulike typer data gjør atlaset unikt blant referansehjerneatlaser, sa forskerne.
«Vi bruker nå dette atlaset som det vanlige anatomiske referanseområdet for mange store prosjekter, inkludert kartlegging av hele hjernekretsen, enkeltcellekonstruksjoner og generering av en omfattende hjernecelletype-folketelling,» Sa Harris. «Alle disse dataene, og hva vi lærer om hjernearkitektur i sin tur, vil på et tidspunkt nødvendiggjøre en oppdatert, neste generasjons 3d-atlas, selv om det sannsynligvis vil bli konstruert med forskjellige, mer automatiserte datadrevne metoder.»
Fremtidige iterasjoner av atlas vil dermed sannsynligvis stole på maskinlæring eller andre former for automatisering, i stedet for på den strevsomme manuelle kureringen som gikk inn i den nåværende versjonen. «Som vi vet nå, bør atlaser utvikle seg og leve ressurser, for når vi lærer mer om hvordan hjernen er organisert, må Vi gjøre oppdateringer,» Sa Harris. «Å bygge atlaser på en automatisk, objektiv måte er hvor feltet sannsynligvis beveger seg.»
Allen CCF er åpen tilgang, og tilgjengelig med tilhørende verktøy på https://portal.brain-map.org/