o echipă de oameni de știință de la Institutul Allen pentru știința creierului pune la dispoziția publicului un atlas 3D construit manual, la nivel celular, al creierului complet al șoarecilor. Derivată din imagini tomografice seriale cu doi fotoni ale creierului a 1.657 de șoareci, această a treia iterație a Cadrului Comun de coordonate Allen Mouse Brain, sau CCFv3, este rezultatul a trei ani de colectare și desenare intensivă a datelor.
„sperăm că comunitatea mai largă de Neuroștiințe o va folosi ca un nou atlas de referință standard”, a declarat Lydia Ng, PhD, care este director senior de tehnologie la Institutul Allen pentru știința creierului și unul dintre autorii seniori ai lucrării atlas, care este publicată în Cell. „Prin accesul deschis la atlas și instrumentele conexe, noile date și tipuri de date generate în comunitatea noastră pot fi mai ușor integrate și comparate în același context spațial, iar Atlasul, la rândul său, poate fi modificat pe măsură ce cunoștințele noastre despre structura creierului evoluează.”
a adăugat co-autorul principal, Julie Harris, PhD, director asociat al neuroanatomiei la Institutul Allen pentru știința creierului, ” atlasele de referință sunt cu adevărat instrumente multifuncționale care sunt utilizate pentru predarea neuroanatomiei, oferind nomenclatură comună pentru identificarea regiunilor creierului, susținând analize pentru a descrie unde au fost colectate datele și reprezentând cunoștințele noastre colective actuale despre organizarea structurii creierului.”Cercetătorii au raportat pe harta CCFv3 într-un raport intitulat „Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: a 3D Reference Atlas.”
acest videoclip descrie o fuziune de date în cadrul CCF imaginea de fundal în tonuri de gri reprezintă anatomia medie a 1.675 de exemplare individuale care formează baza pentru sistemul comun de coordonate. Liniile curbe colorate reprezentate raționalizează eșantionate. Cortexul mouse-ului este o foaie 3D organizată în straturi în care conexiunea dintre straturi este de obicei perpendiculară pe suprafață, sugerând o organizație coloană ipotetică. Curbura cortexului face dificilă vizualizarea de-a lungul acestei dimensiuni teoretice. Aceste raționalizări sunt o estimare a acestor „verticale” pe baza geometriei curbate. Pentru a vedea dacă raționalizările reflectă adevărata curbură, le-am comparat cu date reale. Imaginea colorată hotmetal este un compozit de seturi de date multiple pentru a vizualiza forma dendritei cu smocuri groase a neuronilor piramidali L5 care au fost etichetați selectiv cu injecție de trasor viral dependentă de Cre în linia de conducător auto Sim1-Cre_KJ18 sau A930038c07rik-Tg1-Cre. Fiecare set de date a fost înregistrat la CCF pentru a permite suprapunerea datelor de la ~100 de exemplare.
creierul șoarecelui conține aproximativ 100 de milioane de celule în sute de regiuni diferite. Cunoașterea neuroanatomiei creierului mouse-ului a avansat dramatic în ultimul deceniu, odată cu apariția proiectelor de cartografiere a creierului întreg, adăugând noi tipuri de date și dezvăluind arhitectura celulară în detalii noi și bogate.
colaborările internaționale la scară largă generează sondaje majore privind tipurile de celule și conexiunile din creierul șoarecilor, colectând cantități mari de date între modalități, scale spațiale și zone ale creierului, au explicat autorii. Și pe măsură ce seturile de date din neuroștiințe devin mai mari și mai complexe, o hartă spațială comună a creierului devine mai critică, la fel ca și capacitatea de a co-înregistra cu precizie multe tipuri diferite de date într-un spațiu 3D comun pentru a compara și corela.
„colaborările internaționale recente la scară largă generează sondaje majore privind tipurile de celule și conexiunile din creierul șoarecilor, colectând cantități mari de date între modalități, scale spațiale și zone ale creierului”, a comentat echipa. „Integrarea cu succes a acestor date necesită un atlas de referință 3D standard.”Aceasta înseamnă că atlasele digitale moderne de referință trebuie să evolueze pentru a rămâne actuale, a comentat Harris. „Cu toate acestea, atlasele standard clasice nu îndeplinesc cerințele acestor seturi de date cu rezoluție celulară în 3D. deci, am produs un atlas cu adevărat 3D pentru a servi drept cadru anatomic standard pentru seturile de date ale întregului creier care sunt produse.”
întregul creier CCFv3 se bazează pe o versiune parțială lansată în 2016 care a cartografiat întregul cortex al mouse-ului, coaja cea mai exterioară a creierului. Versiunile anterioare ale atlasului erau hărți 3D cu rezoluție mai mică, în timp ce rezoluția CCFv3 este suficient de fină încât să poată identifica locațiile celulelor individuale. Alinierea diferitelor tipuri de seturi de date în CCFv3 a permis cercetătorilor să eticheteze mai mult de 800 de structuri ale creierului. Procedând astfel, au identificat mai multe structuri ale creierului care nu au fost descrise anterior în atlasele standard ale creierului șoarecilor și mai multe tracturi noi de fibre nervoase care nu au fost descrise în alte Atlase.
„CCFv3 este parcelat în 43 de zone izocorticale și straturile lor, 329 de structuri de materie cenușie subcorticală, 81 de tracturi de fibre și 8 structuri ventriculare (pe emisferă)”, au explicat oamenii de știință. „Având în vedere că fiecare set de date dezvăluie un model unic de etichetare pentru anumite regiuni ale creierului șoarecilor, combinarea tuturor acestor tipuri de date ar trebui să se completeze sau să se confirme reciproc, demonstrând un avantaj metodologic extraordinar pentru definirea exactă a structurilor creierului”, a remarcat Ng.
autorii spun că CCFv3 are o rezoluție spațială mai mare decât orice spațiu de referință al creierului mouse-ului 3D existent în prezent, bazat pe imagistica prin rezonanță magnetică. Deoarece CCFv3 este o medie dintr-o populație mare de șoareci, acesta poate fi utilizat pentru a studia variabilitatea interindividuală a volumelor structurilor creierului 3D în contextul diferitelor stări de boală. În plus, multe detalii anatomice au fost evidente în creierul mediu, care nu au fost ușor de discernut în niciun creier de șoarece.
poate fi considerat echivalentul neuroștiinței GPS-ului unui telefon, sugerează Institutul Allen. În loc să căutați manual locația dvs. pe o hartă de hârtie pe baza a ceea ce vedeți în jurul dvs., GPS-ul (și Noul atlas al creierului) vă spune unde vă aflați. Cu seturi de date în mii sau milioane de bucăți diferite de informații, acel set comun de coordonate—și identificarea reperelor creierului corespunzătoare pentru acele coordonate—este crucial.
„în vremurile vechi, oamenii ar defini diferite regiuni ale creierului prin ochi. Pe măsură ce obținem din ce în ce mai multe date, această curățare manuală nu se mai scalează”, a spus Ng. „La fel cum avem o secvență de genom de referință, aveți nevoie de o anatomie de referință.”
din punct de vedere istoric, atlasele creierului au fost desenate în 2D, luând vederi asemănătoare foilor creierului la diferite adâncimi și aliniindu-le. Pentru unele tipuri de date, această formă de cartografiere a creierului funcționează bine. Dar pentru studiile moderne de Neuroștiințe care analizează activitatea neuronilor sau caracteristicile celulelor din întregul creier, un atlas 3D oferă un context mai bun. Pentru a realiza Atlasul, cercetătorii au împărțit creierul în mici blocuri virtuale 3D, cunoscute sub numele de voxeli, și au atribuit fiecărui bloc o coordonată unică. Datele care au alimentat această construcție 3D provin din anatomia medie a creierului a 1.675 de animale diferite. Echipa a atribuit apoi fiecare dintre aceste voxeli uneia dintre sutele de regiuni diferite cunoscute ale creierului șoarecelui, trasând granițe atente între zone distincte.
seturile de date care au alimentat aceste două aspecte ale atlasului au provenit din mai multe tipuri diferite de experimente efectuate la Institutul Allen în ultimii ani. „Pentru a ajuta la delimitarea exactă a ariei, am compilat și curatoriat seturi de date de referință multimodale înregistrate deformabil la creierul mediu șablon”, au explicat autorii. „Datele de referință au inclus pete de histologie, imunohistochimie, Expresie transgenă, hibridizare in situ (ISH) și experimente de conectivitate anterogradă.”Această coloană vertebrală a diferitelor tipuri de date face Atlasul unic printre atlasele creierului de referință, au spus cercetătorii.
„acum folosim acest atlas ca spațiu comun de referință anatomică pentru multe proiecte la scară largă, inclusiv cartografierea circuitului creierului întreg, reconstrucții cu o singură celulă și generarea unui recensământ cuprinzător de tip celule cerebrale”, a spus Harris. „Toate aceste date și ceea ce învățăm despre arhitectura creierului, la rândul lor, vor necesita la un moment dat un atlas 3D actualizat, de generație următoare, deși este probabil să fie construit cu metode diferite, mai automatizate, bazate pe date.”
iterațiile viitoare ale atlasului se vor baza probabil pe învățarea automată sau alte forme de automatizare, mai degrabă decât pe laborioasa curație manuală care a intrat în versiunea actuală. „După cum știm acum, atlasele ar trebui să evolueze și să trăiască resurse, deoarece, pe măsură ce aflăm mai multe despre modul în care este organizat creierul, va trebui să facem actualizări”, a spus Harris. „Construirea atlaselor într-un mod automat și imparțial este locul în care câmpul se mișcă probabil.”
Allen CCF este acces deschis și disponibil cu instrumente conexe la https://portal.brain-map.org/