3 डी स्कैनिंग प्रौद्योगिकी ब्रिजिंग माइक्रोसर्किट और Macroscale मस्तिष्क छवियाँ 3 डी उपन्यास एम्बेडिंग ओवरलैपिंग प्रोटोकॉल में
Summary
यह लेख 3 डी स्कैनिंग प्रौद्योगिकी का उपयोग कर एक प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल का परिचय दो स्थानिक तराजू ब्रिजिंग: पूरे मस्तिष्क शरीर रचना विज्ञान के स्थूल स्थानिक पैमाने पर एमआरआई द्वारा छवि और gt;100 $m और न्यूरोनल वितरण के सूक्ष्म स्थानिक पैमाने का उपयोग कर इम्यूनोहिस्टोकेमिस्ट्री धुंधला और एक multielectrode सरणी प्रणाली और अन्य तरीकों ($ 10 डिग्री सेल्सियस)।
Abstract
मानव मस्तिष्क, एक multiscale प्रणाली जा रहा है, दोनों स्थूल विद्युत संकेत है, विश्व स्तर पर मोटी सफेद पदार्थ फाइबर बंडलों के साथ बह, और सूक्ष्म न्यूरॉन spikes, axons और dendrites साथ प्रचार. दोनों तराजू मानव संज्ञानात्मक और व्यवहार कार्यों के विभिन्न पहलुओं के पूरक हैं. स्थूल स्तर पर, एमआरआई वर्तमान मानक इमेजिंग प्रौद्योगिकी है, जिसमें सबसे छोटा स्थानिक संकल्प, voxel आकार, 0.1-1 मिमी3है. इसके अलावा, सूक्ष्म स्तर पर, पिछले शारीरिक अध्ययन ऐसे voxels के भीतर nonuniform न्यूरॉन आर्किटेक्चर के बारे में पता थे. यह अध्ययन 3 डी स्कैनिंग प्रौद्योगिकी में तकनीकी प्रगति के साथ जैविक वैज्ञानिक अनुसंधान interfacing द्वारा एक स्थूल नक्शे में सूक्ष्म डेटा सही एम्बेड करने के लिए एक शक्तिशाली तरीका विकसित करता है। 3 डी स्कैनिंग प्रौद्योगिकी ज्यादातर अब तक इंजीनियरिंग और औद्योगिक डिजाइन के लिए इस्तेमाल किया गया है के बाद से, यह मस्तिष्क की कोशिकाओं में प्राकृतिक spiking संरक्षण करते हुए पूरे मस्तिष्क में microconnectomes एम्बेड करने के लिए पहली बार के लिए repurposed है. इस उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए, पहले, हमने नम और चिंतनशील सतहों के कारण छवि को स्वाभाविक रूप से चुनौतीपूर्ण जीवों से सटीक 3 डी छवियों को प्राप्त करने के लिए एक स्कैनिंग प्रोटोकॉल का निर्माण किया। दूसरा, हम मस्तिष्क के ऊतकों में रहने वाले गिरावट को रोकने के लिए गति रखने के लिए प्रशिक्षित किया, जो बेहतर स्थितियों को बनाए रखने और मस्तिष्क के ऊतकों में सक्रिय न्यूरॉन spikes से अधिक प्राकृतिक न्यूरॉन spikes रिकॉर्डिंग में एक महत्वपूर्ण कारक है. दो cortical सतह छवियों, स्वतंत्र रूप से दो अलग इमेजिंग मॉड्यूल, अर्थात् एमआरआई और 3 डी स्कैनर सतह छवियों से निकाले, आश्चर्यजनक रूप से हिस्टोग्राम के मोड मूल्य के रूप में केवल 50 डिग्री मीटर की दूरी त्रुटि दिखा. इस सटीकता अंतरकोशिकीय दूरी के सूक्ष्म संकल्प के पैमाने में तुलनीय है; भी, यह विभिन्न व्यक्तिगत चूहों के बीच स्थिर है. इस नए प्रोटोकॉल, 3 डी उपन्यास embedding ओवरलैपिंग (3 डी-NEO) प्रोटोकॉल, पुल स्थूल और सूक्ष्म इस एकीकृत प्रोटोकॉल द्वारा व्युत्पन्न स्तर और व्यापक कनेक्टिविटी आर्किटेक्चर का अध्ययन करने के लिए नए वैज्ञानिक निष्कर्षों accelerates (यानी, माइक्रोकनेक्टोम)।
Introduction
विभिन्न भौतिक और जैविक संगठनों में असमान बहुमान वास्तु संरचना आमतौर पर1,2पाई जाती है . मस्तिष्क भी एक बहुत ही गैर वर्दी और बहुमान नेटवर्क संगठन3,4है . विभिन्न संज्ञानात्मक कार्यों ऐसे नेटवर्क संगठनों में कोडित कर रहे हैं, submillisecond अस्थायी संकल्प में न्यूरॉन आबादी के विद्युत कील पैटर्न के अस्थायी परिवर्तन पकड़े. ऐतिहासिक रूप से, न्यूरॉन्स के बीच जटिल नेटवर्क संरचनात्मक रूप से 150 साल पहले से सैंटियागो रामन वाई काजल द्वारा धुंधला तकनीक का उपयोग कर विस्तार से मनाया गया5. सक्रिय न्यूरॉन्स के समूह व्यवहार का निरीक्षण करनेके लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न रिकॉर्डिंग प्रौद्योगिकियों 6 ,7,8विकसित किया है और इस तरह की प्रौद्योगिकियों के हाल के महत्वपूर्ण घटनाओं हमें रिकॉर्ड करने के लिए सक्षम किया गया है न्यूरॉन्स की बड़ी संख्या से एक साथ बिजली की गतिविधियों. इसके अलावा, इस तरह के कार्यात्मक गतिविधियों से, वैज्ञानिकों को न्यूरॉन्स की बड़ी संख्या के बीच कारण बातचीत के नेटवर्क के पुनर्निर्माण में सफल रहा है और उनके जटिल बातचीत ‘microconnectome’ 9 के topological वास्तुकला की घोषणा की है . मस्तिष्क के Macroscopic टिप्पणियों भी एक नेटवर्क संगठन के रूप में एक पूरे मस्तिष्क के बारे में के लिए अनुमति देते हैं क्योंकि कई मस्तिष्क क्षेत्रों कई फाइबर-बंडलों से जुड़े हुए हैं. वैश्विक मस्तिष्क के नक्शे में microconnectomes के embedding अभी भी वर्तमान तकनीकी प्रगति के भीतर स्पष्ट सीमाएं हैं, यही वजह है कि इस embedding प्रोटोकॉल इतना महत्वपूर्ण है. हालांकि, embedding प्रोटोकॉल के विकास के लिए कई चुनौतियां हैं। उदाहरण के लिए, विशुद्ध रूप से अलग मस्तिष्क क्षेत्रों में रहने वाले स्थानीय न्यूरॉन सर्किट की गतिविधियों का निरीक्षण करने के लिए, मस्तिष्क स्लाइस इन इन विट्रो रिकॉर्डिंग के लिए उत्पादन किया जा करने के लिए की जरूरत है। इसके अतिरिक्त, इन विट्रो रिकॉर्डिंग के लिए मस्तिष्क स्लाइस से रिकॉर्डिंग अभी भी कम से कम दो कारणों के लिए एक महत्वपूर्ण विकल्प हैं. सबसे पहले, यह अभी भी कई जीवित व्यक्ति न्यूरॉन्स की गतिविधियों का निरीक्षण करने के लिए आसान नहीं है एक साथ मस्तिष्क क्षेत्रों से गहरा से $ 1.5 मिमी और उच्च लौकिक संकल्प में ([lt;1 एमएस). दूसरा, जब हम एक स्थानीय न्यूरॉन सर्किट की आंतरिक वास्तुकला पता करने की उम्मीद है, हम सभी जानकारी बाहरी मस्तिष्क क्षेत्रों से आने को रोकने के लिए confounding कारकों को खत्म करने की जरूरत है. आदेश में निर्देशऔर उत्पादित मस्तिष्क स्लाइस की स्थिति की पहचान करने के लिए, यह निर्देशांक का उपयोग कर इन उत्पादित मस्तिष्क स्लाइस के स्थानिक पदों को एकीकृत करने के लिए आगे आवश्यक हो जाएगा. तथापि, मस्तिष्क स्लाइस को संगठित तरीके से बनाने केकुछ व्यवस्थित और विश्वसनीय तरीके हैं . यहाँ, एक नया coregistration प्रोटोकॉल शुरू की है, neuroवैज्ञानिक अनुसंधान के लिए 3 डी स्कैनिंग प्रौद्योगिकी का उपयोग करने के लिए एक एकीकृत प्रोटोकॉल प्रदान करते हैं. इस प्रोटोकॉल सूक्ष्म और मैक्रोस्केल और एम्बेड multielectrode सरणी (एमईए) microdata12,13 और निकाले गए दिमाग के 3 डी स्कैन सतहों के माध्यम से एक स्थूल एमआरआई अंतरिक्ष पर धुंधला डेटा समन्वय करने के लिए कार्य करता है, के रूप में अच्छी तरह से noninvasively दर्ज दिमाग. हैरानी की बात है, यह हिस्टोग्राम के मोड मूल्य के रूप में केवल $ 50 डिग्री मीटर की दूरी त्रुटि से पता चला. एक परिणाम के रूप में, एमआरआई सतह और स्कैन 3 डी सतह के बीच दो सतहों के बीच न्यूनतम दूरी के मोड मूल्यों सभी छह चूहों के लिए लगभग 50 डिग्री थे, जो एक उपयुक्त संख्या है जब व्यक्तियों के बीच समानता के लिए जाँच. ठेठ टुकड़ा चौड़ाई के आसपास 300 डिग्री की एक दर्ज कील गतिविधि थी.
Protocol
Representative Results
Discussion
हमने पहले की तुलना में अधिक सही दो मस्तिष्क सतहों को ओवरलैप करके स्थूल और सूक्ष्म स्थानिक तराजू को पाटने के लिए 3D-NEO प्रोटोकॉल नामक एक नया प्रोटोकॉल विकसित किया है। मूल रूप से, इस प्रोटोकॉल जो संभव दो मस्…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
एम.एस. चिकित्सा और चिकित्सा संकाय के ग्रेजुएट स्कूल में चिकित्सा सूचना इंजीनियरिंग पाठ्यक्रम में कर्मचारियों के सभी से समर्थन के लिए आभारी है, और प्रो Tetsuya Takakuwa, प्रो Nobukatsu Sawamoto, और डोरिस ज़कियान उनके सहायक के लिए धन्यवाद देना चाहता है टिप्पणियाँ. इस अध्ययन को चुनौतीपूर्ण अन्वेषणात्मक अनुसंधान के लिए एक अनुदान-इन-एड द्वारा और उत्कृष्ट युवा शोधकर्ताओं (लीडर) कार्यक्रम के लिए एम.एस. से MEXT (शिक्षा, संस्कृति, खेल, विज्ञान, और प्रौद्योगिकी मंत्रालय) के लिए अग्रणी पहल द्वारा समर्थित किया गया था। इस काम में एमआरआई प्रयोगों लघु पशु एमआरआई, चिकित्सा अनुसंधान सहायता केंद्र, चिकित्सा के ग्रेजुएट स्कूल, क्योटो विश्वविद्यालय, जापान के लिए प्रभाग में प्रदर्शन किया गया.
Materials
| Air compressor | Kimura Medical | KA-100 | Animal preparation for MRI |
| All-in-one fluorescence microscope | KEYENCE | BZ-X710 | |
| Anesthesia box | Bio Research Center | RIC-01 | Animal preparation for MRI |
| Anesthesia system | ACOMA Medical Industry | NS-5000A | Animal preparation for MRI |
| Anti-GAD67, clone 1G10.2 | Merk Millipore | MAB5406 | For immunostaining |
| Calcium Chrolide | nacalai tesque | 06729-55 | aCSF |
| Choline Chloride | nacalai tesque | 08809-45 | aCSF |
| curved blunt forceps | |||
| Disposal scalpel | Kai | 10 | |
| D-PBS(-) without Ca and Mg, liquid(10x) | nacalai tesque | For immunostaining | |
| D(+)-Glucose | Wako | 049-31165 | aCSF |
| Gelatin | nacalai tesque | 16605-42 | re-secctioning |
| Goat anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 | Invitrogen | A32723 | For immunostaining |
| Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 555 | Invitrogen | A32732 | For immunostaining |
| Heater mat | Bio Research Center | HM-10 | Animal preparation for MRI |
| Heater mat controller | Bio Research Center | BWT-100A | Animal preparation for MRI |
| Heater system | SA Instruments | MR-compatible Small Animal Heating System | Animal preparation for MRI |
| Isoflurane | AbbVie | Animal preparation for MRI | |
| Isoflurane vaporizer | ACOMA Medical Industry | MKIIIai | Animal preparation for MRI |
| Linear Slicer | DOSAKA | Neo Linear Slicer MT | |
| L(+)-Ascorbic Acid Sodium Salt | Wako | 196-01252 | aCSF |
| Magnesium Chrolide Hexahydrate | Wako | 135-00165 | aCSF |
| MaxOne Single-Well MEA | MaxWell Biosystems | ||
| Metal Spatula | |||
| Monitoring system | SA Instruments | Model 1025 | Animal preparation for MRI |
| Monitoring software | SA Instruments | PC-SAM V.5.12 | Animal preparation for MRI |
| MRI compatible cradle | Bruker BioSpin | T12812 | Animal preparation for MRI |
| MRI coil | Bruker BioSpin | T9988 | For MRI |
| MRI operation software | Bruker BioSpin | ParaVision 5.1 | For MRI |
| Neo LinearSlicer MT | D.S.K. | NLS-MT | |
| NeuN (D4G40) XP Rabbit mAb | Cell Signaling | 24307 | For immunostaining |
| Normal Goat Serum | Wako | 143-06561 | For immunostaining |
| Potassium Chloride | Wako | 163-03545 | aCSF |
| Polyethylene Glycol Mono-p-isooctylphenyl Ether | nacalai tesque | 12967-45 | For immunostaining |
| Pressure-sensitive respiration sensor | SA Instruments | RS-301 | Animal preparation for MRI |
| Preclinical MRI scanner | Bruker BioSpin | BioSpec 70/20 USR | For MRI |
| Pyruvic Acid Sodium Salt | nacalai tesque | 29806-54 | aCSF |
| SCAN in a BOX | Open Technologies srl | ||
| scissors | |||
| Sieve bottle | TIGERCROWN | 81 | For 3D scan |
| SlowFade Gold Antifade Mountant | Invitrogen | S36937 | For immunostaining |
| Sodium Chloride | Wako | 191-01665 | aCSF |
| Sodium Dihydrogenphosphate | Wako | 197-09705 | aCSF |
| Sodium Hydrogen Carbonate | Wako | 191-01305 | aCSF |
| Sodium Hydrogensulfite | nacalai tesque | 31220-15 | For immunostaining |
| Thermistor temperature probe | SA Instruments | RTP-101-B, PLTPC-300 | Animal preparation for MRI |
| Tooth bar | Bruker BioSpin | T10146 | Animal preparation for MRI |
| Winged intravenous needle | TERUMO | SV-23CLK | For perfusion |
| 1 mol/l-Tris-HCl Buffer Solution | nacalai tesque | 35436-01 | For immunostaining |
| 1 mol/l-Hydrochloric Acid | nacalai tesque | 37314-15 | For pH adjustment of solution |
| 16%-Paraformaldehyde Aqueous Solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | For immunostaining |
References
- Vogelsberger, M., et al. Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation. Nature. 509 (7499), 177-182 (2014).
- Zhang, B., et al. Integrated systems approach identifies genetic nodes and networks in late-onset Alzheimer’s disease. Cell. 153 (3), 707-720 (2013).
- Sporns, O., Chialvo, D. R., Kaiser, M., Hilgetag, C. C. Organization, development and function of complex brain networks. Trends in Cognitive Sciences. 8 (9), 418-425 (2004).
- Shimono, M. Non-uniformity of cell density and networks in the monkey brain. Scientific Reports. 3, 2541 (2013).
- DeFelipe, J., Jones, E. G. . Cajal on the Cerebral Cortex: An Annotated Translation of the Complete Wrings. , (1988).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M. . Principles of Neural Science. , (2013).
- Pine, J., Taketani, M., Baudry, M. A history of MEA development. Advances in Network Electrophysiology. , 3-23 (2006).
- Grienberger, C., Konnerth, A. Imaging calcium in neurons. Neuron. 73 (5), 862-885 (2012).
- Shimono, M., Beggs, J. M. Functional clusters, hubs, and communities in the cortical microconnectome. Cerebral Cortex. 25 (10), 3743-3757 (2014).
- Amunts, K., et al. BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model. Science. 340, 1472-1475 (2013).
- Ali, S., et al. Rigid and non-rigid registration of polarized light imaging data for 3D reconstruction of the temporal lobe of the human brain at micrometer resolution. NeuroImage. 181, 235-251 (2018).
- Kozai, T. D. Y., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11, 1065-1073 (2012).
- Kampasi, K., et al. Dual color optogenetic control of neural populations using low-noise, multishank optoelectrodes. Microsystems & Nanoengineering. 4 (1), 10 (2018).
- Hellwig, B. A quantitative analysis of the local connectivity between pyramidal neurons in layers 2/3 of the rat visual cortex. Biological Cybernetics. 82 (2), 111-121 (2000).
- Bezgin, G., Reid, A. T., Schubert, D., Kötter, R. Matching spatial with ontological brain regions using Java tools for visualization, database access, and integrated data analysis. Neuroinformatics. 7 (1), 7-22 (2009).
- Holmgren, C., Harkany, T., Svennenfors, B., Zilberter, Y. Pyramidal cell communication within local networks in layer 2/3 of rat neocortex. The Journal of Physiology. 551 (1), 139-153 (2003).
- Boucsein, C., Nawrot, M., Schnepel, P., Aertsen, A. Beyond the cortical column: abundance and physiology of horizontal connections imply a strong role for inputs from the surround. Frontiers in Neuroscience. 5 (32), 1-13 (2011).
- Edelsbrunner, H., Aronov, J. P. B., Basu, S., Sharir, M. Surface reconstruction by wrapping finite point sets in space. Discrete and Computational Geometry – The Goodman-Pollack Festschrift. , 379-404 (2003).
- Roland, P. E., et al. Human brain atlas: For high‐resolution functional and anatomical mapping. Human Brain Mapping. 1 (3), 173-184 (1994).
- Johnson, G. A., et al. Waxholm space: an image-based reference for coordinating mouse brain research. NeuroImage. 53 (2), 365-372 (2010).
- Evans, A. C., Janke, A. L., Collins, D. L., Baillet, S. Brain templates and atlases. NeuroImage. 62 (2), 911-922 (2012).
- Okabe, S. Brain/MINDS–a new program for comprehensive analyses of the brain. Microscopy. 64 (1), 3-4 (2015).
- Shimono, M., Hatano, N. Efficient communication dynamics on macro-connectome, and the propagation speed. Scientific Reports. 8 (1), 2510 (2018).
