zespół naukowców z Allen Institute for Brain Science udostępnia publicznie ręcznie skonstruowany, trójwymiarowy Atlas komórkowy całego mózgu myszy. Ta trzecia iteracja wspólnej struktury współrzędnych mózgu myszy Allena (ang. Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework, CCFv3), pochodząca z seryjnych obrazów tomografów dwufotonowych mózgów 1657 myszy, jest wynikiem trzech lat intensywnego gromadzenia i rysowania danych.
„mamy nadzieję, że szersza społeczność neuronauki użyje go jako nowego standardowego atlasu referencyjnego”, powiedziała dr Lydia ng, która jest starszym dyrektorem ds. technologii w Allen Institute for Brain Science i jednym z starszych autorów artykułu atlas, który jest publikowany w Cell. „Dzięki otwartemu dostępowi do naszego atlasu i powiązanych narzędzi nowe dane i typy danych generowane w naszej społeczności mogą być łatwiej integrowane i porównywane w tym samym kontekście przestrzennym, a atlas z kolei może być modyfikowany w miarę rozwoju naszej wiedzy na temat struktury mózgu.”
Dodano współautorkę, dr Julie Harris, associate director of neuroanatomy w Allen Institute for Brain Science, ” Atlasy referencyjne są naprawdę wielofunkcyjnymi narzędziami używanymi do nauczania neuroanatomii, dostarczającymi wspólnej nomenklatury do identyfikacji regionów mózgu, wspierającymi analizy opisujące miejsce gromadzenia danych i reprezentującymi naszą zbiorową aktualną wiedzę na temat organizacji struktury mózgu.”Naukowcy opisali mapę CCFv3 w raporcie zatytułowanym” The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: a 3D Reference Atlas.”
ten film przedstawia fuzję danych w ramach CCF obraz w skali szarości tła przedstawia średnią anatomię 1675 pojedynczych okazów tworzących podstawę wspólnego układu współrzędnych. Kolorowe zakrzywione linie reprezentowały próbki linii usprawnień. Kora myszy jest arkuszem 3D zorganizowanym w warstwy, w których połączenie między warstwami jest zwykle prostopadłe do powierzchni, co sugeruje hipotetyczną organizację kolumnową. Krzywizna kory mózgowej utrudnia wizualizację tego teoretycznego wymiaru. Te linie usprawnień są oszacowaniem tych „pionów” w oparciu o zakrzywioną geometrię. Aby sprawdzić, czy linie Streamline odzwierciedlają prawdziwą krzywiznę, porównaliśmy je z rzeczywistymi danymi. Kolorowy obraz hotmetalowy jest kompozycją wielu zestawów danych do wizualizacji kształtu gęsto igłowych dendrytów neuronów piramidy L5, które zostały selektywnie oznaczone zależnym od Cre znacznikiem wirusowym do linii sterującej Sim1-Cre_KJ18 lub A930038c07rik-Tg1-Cre. Każdy zbiór danych został zarejestrowany w CCF, aby umożliwić nakładanie danych z ~100 próbek.
mózg myszy zawiera około 100 milionów komórek w setkach różnych regionów. Wiedza na temat neuroanatomii mózgu myszy znacznie wzrosła w ciągu ostatniej dekady, wraz z pojawieniem się projektów mapowania całego mózgu, dodając nowe typy danych i ujawniając architekturę komórkową w nowych, bogatych szczegółach.
Międzynarodowa współpraca na dużą skalę generuje główne badania typów komórek i połączeń w mózgu myszy, zbierając duże ilości danych w różnych modalnościach, skalach przestrzennych i obszarach mózgu, wyjaśnili autorzy. W miarę jak zbiory danych neuronauki stają się coraz większe i bardziej złożone, wspólna Mapa przestrzenna mózgu staje się bardziej krytyczna, podobnie jak zdolność do precyzyjnej rejestracji wielu różnych rodzajów danych we wspólnej przestrzeni 3D w celu porównania i korelacji.
„niedawna międzynarodowa współpraca na dużą skalę generuje główne badania typów komórek i połączeń w mózgu myszy, zbierając duże ilości danych w różnych modalnościach, skalach przestrzennych i obszarach mózgu”, skomentował zespół. „Pomyślna integracja tych danych wymaga standardowego atlasu referencyjnego 3D.”Oznacza to, że nowoczesne cyfrowe atlasy referencyjne muszą ewoluować, aby pozostać aktualne, skomentował Harris. „Jednak Klasyczne atlasy standardowe nie spełniają wymagań zestawów danych o rozdzielczości komórkowej w 3D. dlatego stworzyliśmy prawdziwie trójwymiarowy atlas, który posłuży jako standardowe ramy anatomiczne dla produkowanych zestawów danych dla całego mózgu.”
cały mózg CCFv3 opiera się na częściowej wersji wydanej w 2016 roku, która odwzorowała całą korę myszy, zewnętrzną powłokę mózgu. Poprzednie wersje atlasu były mapami 3D o niższej rozdzielczości, podczas gdy rozdzielczość CCFv3 jest na tyle dobra, że może wskazać lokalizacje poszczególnych komórek. Dostosowanie różnych typów zbiorów danych do CCFv3 pozwoliło badaczom na oznaczenie ponad 800 struktur mózgu. W ten sposób zidentyfikowano kilka struktur mózgu, które nie zostały wcześniej opisane w standardowych atlasach mózgu myszy, oraz kilka nowych traktów włókien nerwowych, które nie zostały opisane w innych atlasach.
„CCFv3 jest parcelowany na 43 obszary izokortyczne i ich warstwy, 329 podkorowych struktur szarej materii, 81 włókien i 8 struktur komorowych (na półkulę)”, wyjaśnili naukowcy. „Biorąc pod uwagę, że każdy zbiór danych ujawnia unikalny wzór etykietowania dla niektórych obszarów mózgu myszy, połączenie wszystkich tych typów danych powinno się uzupełniać lub potwierdzać, wykazując ogromną zaletę metodologiczną w zakresie dokładnego definiowania struktur mózgu”, zauważył Ng.
autorzy twierdzą, że CCFv3 ma wyższą rozdzielczość przestrzenną niż jakakolwiek obecnie istniejąca przestrzeń referencyjna mózgu myszy 3D oparta na rezonansie magnetycznym. Ponieważ CCFv3 jest średnią z dużej populacji myszy, można go wykorzystać do badania zmienności międzyosobniczej w objętościach struktur mózgu 3D w kontekście różnych stanów chorobowych. Ponadto wiele szczegółów anatomicznych było widocznych w przeciętnym mózgu, które nie były łatwo dostrzegalne w żadnym pojedynczym mózgu myszy.
można to uznać za odpowiednik GPS telefonu-sugeruje Instytut Allena. Zamiast ręcznie wyszukiwać swoją lokalizację na papierowej mapie w oparciu o to, co widzisz wokół siebie, GPS (i nowy atlas mózgu) powie Ci, gdzie jesteś. Dzięki zestawom danych w tysiącach lub milionach różnych informacji, ten wspólny zestaw współrzędnych – i identyfikowanie odpowiednich punktów orientacyjnych mózgu dla tych współrzędnych – ma kluczowe znaczenie.
” w dawnych czasach ludzie definiowali różne regiony mózgu okiem. W miarę jak otrzymujemy coraz więcej danych, to ręczne ustawianie nie skaluje się już ” – powiedział Ng. „Tak jak mamy referencyjną sekwencję genomu, tak potrzebna jest referencyjna anatomia.”
historycznie atlasy mózgu były rysowane w 2D, biorąc arkuszowe widoki mózgu na różnych głębokościach i ustawiając je w górę. W przypadku niektórych typów danych ta forma mapowania mózgu działa dobrze. Ale dla nowoczesnych badań neuronauki patrząc na aktywność neuronów lub właściwości komórek w całym mózgu, atlas 3D daje lepszy kontekst. Aby stworzyć atlas, naukowcy podzielili mózg na małe wirtualne bloki 3D, znane jako woksele, i przypisali każdemu blokowi unikalną współrzędną. Dane z budowy 3D pochodzą ze średniej anatomii mózgu 1675 różnych zwierząt. Następnie zespół przydzielił każdy z tych wokseli do jednego z setek różnych znanych obszarów mózgu myszy, rysując ostrożne granice między różnymi obszarami.
zbiory danych, które weszły w te dwa aspekty atlasu, pochodzą z kilku różnych rodzajów eksperymentów przeprowadzonych w Instytucie Allena w ciągu ostatnich kilku lat. „Aby pomóc w dokładnym wytyczeniu obszarów, skompilowaliśmy i opracowaliśmy multimodalne zestawy danych referencyjnych deformacyjnie zarejestrowane w mózgu przeciętnego szablonu”, wyjaśnili autorzy. „Dane referencyjne obejmowały plamy histologiczne, immunohistochemię, ekspresję transgenu, hybrydyzację in situ (ISH) i eksperymenty z łącznością ze śladami przeszczepu.”Ten szkielet różnych typów danych sprawia, że atlas jest unikalny wśród referencyjnych atlasów mózgu, stwierdzili naukowcy.
„obecnie używamy tego atlasu jako wspólnej anatomicznej przestrzeni odniesienia dla wielu dużych projektów, w tym mapowania obwodów całego mózgu, rekonstrukcji pojedynczych komórek i generowania kompleksowego spisu komórek mózgu”, stwierdził Harris. „Wszystkie te dane i to, czego z kolei dowiadujemy się o architekturze mózgu, w pewnym momencie będzie wymagało zaktualizowanego atlasu 3D nowej generacji, chociaż prawdopodobnie zostanie on skonstruowany przy użyciu różnych, bardziej zautomatyzowanych metod opartych na danych.”
przyszłe wersje atlasu będą więc prawdopodobnie opierać się na uczeniu maszynowym lub innych formach automatyzacji, a nie na żmudnej ręcznej obróbce, która weszła do obecnej wersji. „Jak teraz wiemy, atlasy powinny ewoluować i żyć zasobami, ponieważ gdy dowiemy się więcej o tym, jak zorganizowany jest mózg, będziemy musieli dokonać aktualizacji” – powiedział Harris. „Budowanie atlasów w sposób automatyczny, bezstronny to miejsce, w którym pole prawdopodobnie się porusza.”
The Allen CCF is open access, and available with related tools at https://portal.brain-map.org/