مستكشف الشبكة Neurovascular 2.0: أداة بسيطة لاستكشاف ومشاركة قاعدة بيانات من آثار أوبتوجينيتيكالي فاسوموشن في قشرة الماوس في فيفو
Summary
يتم عرض واجهة مستخدم رسومية لاستكشاف ومشاركة قاعدة بيانات الردود الأوعية الدموية الناجمة عن أوبتوجينيتيكالي في الماوس قشرة somatosensory في فيفو تقاس بالفحص المجهري 2-فوتون. أنها تتيح تصفح البيانات، المستندة إلى معايير الاختيار، في المتوسط، التعريب من القياسات داخل حجم ثلاثي الأبعاد من المفرج وتصدير البيانات.
Abstract
أهمية تبادل البيانات التجريبية في علم الأعصاب ينمو مع حجم وتعقيد البيانات المكتسبة والتقنيات المختلفة المستخدمة للحصول على، ومعالجة هذه البيانات. ومع ذلك، غالبية البيانات التجريبية، لا سيما من الدراسات الفردية من الحجم العادي مختبرات ابدأ التوصل إلى أوسع الأوساط البحثية. تم إنشاء محرك واجهة (GUI) مستخدم رسومية يسمى Neurovascular شبكة Explorer 2.0 (2.0 شمال) كأداة بسيطة ومنخفضة التكلفة تقاسم واستكشاف البيانات تصوير الأوعية الدموية. 2.0 شمال يتعامل مع قاعدة بيانات تحتوي على أوبتوجينيتيكالي أثارت التمدد/انقباض الوقت-دورات لفرادى السفن التي تقاس في الفئران قشرة somatosensory في فيفو 2-فوتون الفحص المجهري. شمال 2.0 يتيح اختيار وعرض الوقت-الدورات التدريبية استناداً إلى معايير مختلفة (الموضوع، أمر التفريع، عمق القشرية، وسفينة القطر، وشجرة أرتيريولار) فضلا عن التلاعب رياضية بسيطة (مثلاً-المتوسط، وتطبيع الذروة) و تصدير البيانات. أنها تؤيد التصور شبكة الأوعية الدموية في 3D، ويتيح ترجمة القياسات قطر السفينة الوظيفية الفردية داخل الأشجار والأوعية الدموية.
2.0 شمال وشفرة المصدر وقاعدة البيانات المطابقة التي يمكن تنزيلها مجاناً من موقع “جامعة كاليفورنيا سان دييغو Neurovascular مختبر التصوير”1. يمكن استخدام التعليمات البرمجية المصدر للمستخدمين لاستكشاف قاعدة البيانات المرتبطة بها أو كقالب داتاباسينج، وتقاسم النتائج التجريبية الخاصة بها المقدمة بالشكل الملائم.
Introduction
الدماغ تعتبر واحدة من الأجهزة الأكثر تعقيداً والرغبة في استجلاء وظيفتها المعقدة لا يعرف الوهن. أنه تجري الآن دراسة على مستويات مختلفة من الجزيئي إلى المستوى السلوكي استخدام لوحة واسعة من أدوات2،3،،من45،،من67،8 . كمية البيانات التجريبية غير متجانسة تنمو بسرعة لم يسبق لها مثيل. الوعي بالحاجة إلى تبادل البيانات التجريبية، تنظيم وتوحيد ينمو مع كمية البيانات المكتسبة. أنه أصبح من الواضح أن نيوروينفورماتيكس سوف تلعب دوراً حاسما في إدماج البيانات التجريبية عبر جداول إلى نماذج من الدماغ الدالة والخلل الوظيفي9،10.
وتحقيقا لهذه الغاية بعض الدراسات، وبخاصة دراسات أكبر حجماً، كانت قادرة على تخصيص موارد لإتاحة نتائجها عن طريق قواعد بيانات واسعة11،،من1213،،من1415. ومع ذلك، كمية هائلة من البيانات التجريبية من الدراسات الفردية ومختبرات الحجم العادي لم تصل إلى أوساط البحوث. هذا أساسا لسببين: المرة الأولى، مكرسة أكثر ضروري لبناء قاعدة بيانات وإنشاء الأدوات التي تمكن المستخدم من التفاعل مع قاعدة البيانات؛ وثانيا، هناك حاجة إلى المزيد من الأموال لدعم هذه المهام. بدافع من هذه التحديات، تم تطوير محرك واجهة (GUI) مستخدم رسومية MATLAB أساس يدعى Neurovascular شبكة Explorer 2.0 (2.0 شمال)16 كأداة بسيطة ومنخفضة التكلفة داتاباسينج، وتبادل واستكشاف البيانات تصوير الأوعية الدموية. هذه المخطوطة يوفر دليل لتشغيل 2.0 شمال وقاعدة البيانات المرتبطة بها من البيانات التجريبية.
شمال 2.0 بالفعل مشغل برامج الجيل الثاني. الجيل الأول، دعا Neurovascular شبكة Explorer 1.0 (شمال 1.0)17 بنيت بالتفاعل مع قاعدة بيانات لتوسع الأوعية الحسية أثارت في الفئران الأولية somatosensory اللحاء (SI) في فيفو تقاس بالفحص المجهري 2-فوتون18. شمال 1.0، شفرة المصدر، فضلا عن قاعدة البيانات المقترنة يتم بحرية للتحميل كملف مضغوط يسمى ‘”شمال 1 تيان”‘ من “جامعة كاليفورنيا سان دييغو Neurovascular مختبر التصوير” الموقع1. يمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات حول 1.0 شمال وقاعدة البيانات المرتبطة بها في17.
الجيل الثاني، 2.0 شمال، يتفاعل مع قاعدة بيانات لتمدد الأوعية الفردية في الفئران أثارت أوبتوجينيتيكالي SI في فيفو تقاس بالفحص المجهري 2-فوتون20. يمكن للمستخدم تصفح، وتحديد وتصور البيانات استناداً إلى فئات مختارة مثل عمق القشرية، وأمر التفريع أو سفينة القطر، موضوع الحيوان أو شجرة أرتيريولار خاصة. واجهة المستخدم الرسومية كذلك تؤدي عمليات حسابية بسيطة مثل المتوسط وتطبيع الذروة في فئات مختارة. شمال 2.0 يتيح لعرض وتصفح الصور التقاط أحجام ثلاثية الأبعاد من المفرج، فضلا عن تحديد موقع قياس الوظيفية داخل الأشجار والأوعية الدموية. يمكن استخدام هذه الميزة لإعادة بناء الأوعية الدموية مورفولوجيس في 3D وملئهم مع قياسات حقيقية واحدة-سفينة وعاء الحركة. يمكن بدوره إدماج عمليات إعادة البناء هذه النماذج الحسابية الدماغ الدالة،من21إلى22. شمال 2.0 وشفرة المصدر وقاعدة البيانات المرتبطة بها بحرية للتحميل كملف مضغوط يسمى ‘”هدباسي 2.0 شمال”v1.0’ من “جامعة كاليفورنيا سان دييغو Neurovascular مختبر التصوير” الموقع1.
شمال 2.0 يعمل مع قاعدة بيانات تسمى ‘vdb.mat’. قاعدة البيانات هذه مصفوفة تتضمن الملامح الزمنية (الوقت-دورات) سفينة واحدة قطرها التغييرات أثارت قبل حافز أوبتوجينيتيك وقياسها في مواقع مختلفة من الأشجار أرتيريولار. كان يحسب كل الوقت–دورة استخدام برنامج مخصص مكتوب. يقوم بحساب التغير النسبي لقطر السفينة من التوسع شدة الفلورسنت الشخصية المكتسبة بالمسح الضوئي عبر السفينة. وقدم على النقيض من الفلورسنت بالحقن داخل الأوعية من fluorescein isothiocyanate (فيتك)-المسمى ديكستران. لمزيد من المعلومات حول البيانات وتحليل الإجراءات، يرجى الاطلاع على20،23. قاعدة البيانات قد 305 مرة-الدورات التدريبية (أي إدخالات قاعدة البيانات) في المجموع. بالإضافة إلى تغيير القطر، وكل إدخال ليحمل قاعدة بيانات صفيف من بيانات تعريف إضافية هي (1) قياس الوقت-الدورة (2) وصف السفينة المقاسة و (3) تحديد مكان القياس ضمن حجم ثلاثي الأبعاد من المفرج القشرية. وتشمل بيانات التعريف وقت بداية، السعة القصوى، وقت الذروة السعة، وعمق القشرية، أمر التفريع، قطر السفينة في الأساس، الطريق إلى مرجع الصور الأصلية ومداخن صورة ثلاثية الأبعاد لكل خرائط قياس وتضخم منخفض من سطح الدماغ المفرج. يرجى الاطلاع على كافة المعلمات في بيانات التعريف سرد ووصف بالتفصيل سابقا في الجدول 116.
شمال 2.0 يتفاعل مع الصور المرجعية التي هي س-ص بفحص الطائرة التي وقع فيها قياس القطر. وقد كل إدخال قاعدة بيانات واحدة الصورة المرجعية المقابلة مع اسم إشارة المعروضة في واجهة المستخدم الرسومية. وقد كل إدخال قاعدة البيانات أيضا رصة المرتبطة بها من الصور (مكدس ثلاثي الأبعاد) التقاط حجم ثلاثي الأبعاد من شجرة الأوعية الدموية التي وقعت القياس. واجهة المستخدم الرسومية يمكن اختيار إدخال بيانات معينة وعرض الصورة المرجعية المقابلة فضلا عن المكدس ثلاثي الأبعاد. فإنه أيضا بإرشاد المستخدم للعثور على مطابقة الصورة المرجعية والإطار في مكدس ثلاثي الأبعاد (نفس الميزات يمكن العثور عليها في كلا الصورتين). كل كومة والصور المرجعية في تسويتها تسوية كاملة (1024 بيكسل x 1024 بيكس) مدرجة في المجلدات hana_stk و hana_refs، على التوالي. يتم تضمين خرائط تضخم منخفضة للدماغ المفرج في المجلد ‘خرائط’. كافة المجلدات الثلاثة، فضلا عن مصفوفة قاعدة البيانات ‘vdb.mat’ يتم تحميلها في ملف مضغوط ‘v1.0 شمال هدباسي 2.0’ من موقع “جامعة كاليفورنيا سان دييغو Neurovascular مختبر التصوير”1 وحفظها إلى المجلد الجذر من شمال 2.0 أثناء عملية التثبيت.
تم تصميم واجهة المستخدم الرسومية كمجموعة من أربع لوحات (الفريق 1 (اللوحة الرئيسية) – 4 لوحة) الذي فتح تسلسلياً كما يستكشف قاعدة بيانات المستخدم وتحديد البيانات المحددة على أساس فئات مختارة. كل فريق ينقسم إلى قسمين رئيسيين: (1) الحق في العمود يوفر إمكانية للتفاعل مع قاعدة البيانات عن طريق تحديد معلمات وفئات البيانات ويعرض المعلومات الهامة من البيانات الوصفية؛ (2) العمود الأيسر يعرض البيانات في شكل الوقت-دورات (تغيير القطر في الوقت المناسب) والتبعثر مؤامرات. وهناك أربعة أنواع من التبعثر مؤامرات عرض بداية (1) تمدد وقت (2) تمدد ذروة القطر (3) أقصى تغيير (السعة القصوى) وخط الأساس (4) القطر (قطر قبل التحفيز) كدالة على عمق القشرية. المستخدم لديه إمكانية لعرض متوسط الوقت-دورات وقيم للبيانات المحددة مجمعة أما بعمق القشرية أو أمر التفريع. وهذا تسليط الضوء على ميزة السلوك تغيير قطر التدرج مع زيادة العمق والتشعب الأمر20. شمال 2.0 يسمح للمستخدم بتصدير مختارة مجموعة فرعية من البيانات في تنسيق ‘.xls’ أو ‘.csv’ أو ‘.mat’.
Protocol
Representative Results
Discussion
شمال 2.0 كتبها المستخدمين الآخرين من أجل تبادل البيانات تصوير الأوعية الدموية ل دراسة محددة20 ولكن قصد تطوير أداة بسيطة لتقاسم واستكشاف بيانات نوع مماثل. الباحثين المهتمين بفحص قاعدة البيانات المرتبطة بها من بيانات الأوعية الدموية قد تستخدم واجهة المستخدم الرسومية لاستعراض ا…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونعترف مع الامتنان الدعم من المعاهد الوطنية للصحة (NS057198، EB00790، MH111359، و S10RR029050) ووزارة التعليم والشباب والرياضة في الجمهورية التشيكية (سيتيك 2020، LQ1601). وأيد زمالات ما بعد الدكتوراه من المجتمع الدولي صداع في عام 2014 والعلمية والتكنولوجية أبحاث المجلس من تركيا بحلول عام 2015. وأيد ما بعد الدكتوراه زمالة من “مؤسسة البحوث الألمانية” (DFG TH 2031/1) طن متري.
Riferimenti
- . Use Our Data Available from: https://neurosciences.ucsd.edu/research/labs/nil/Pages/UseOurData.aspx (2017)
- Craddock, R. C., et al. Imaging human connectomes at the macroscale. Nat Methods. 10 (6), 524-539 (2013).
- Devor, A., et al. Frontiers in optical imaging of cerebral blood flow and metabolism. J Cereb Blood Flow Metab. 32 (7), 1259-1276 (2012).
- Ji, N., Freeman, J., Smith, S. L. Technologies for imaging neural activity in large volumes. Nat Neurosci. 19 (9), 1154-1164 (2016).
- Maze, I., et al. Analytical tools and current challenges in the modern era of neuroepigenomics. Nat Neurosci. 17 (11), 1476-1490 (2014).
- Medland, S. E., Jahanshad, N., Neale, B. M., Thompson, P. M. Whole-genome analyses of whole-brain data: working within an expanded search space. Nat Neurosci. 17 (6), 791-800 (2014).
- Osten, P., Margrie, T. W. Mapping brain circuitry with a light microscope. Nat Methods. 10 (6), 515-523 (2013).
- Poldrack, R. A., Farah, M. J. Progress and challenges in probing the human brain. Nature. 526 (7573), 371-379 (2015).
- Kotter, R. Neuroscience databases: tools for exploring brain structure-function relationships. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 356 (1412), 1111-1120 (2001).
- Uhlirova, H., et al. The roadmap for estimation of cell-type-specific neuronal activity from non-invasive measurements. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 371 (1705), (2016).
- Aine, C. J., et al. Multimodal Neuroimaging in Schizophrenia: Description and Dissemination. Neuroinformatics. , (2017).
- Amunts, K., et al. BigBrain: an ultrahigh-resolution 3D human brain model. Science. 340 (6139), 1472-1475 (2013).
- Laird, A. R., Lancaster, J. L., Fox, P. T. BrainMap: the social evolution of a human brain mapping database. Neuroinformatics. 3 (1), 65-78 (2005).
- Lein, E. S., et al. Genome-wide atlas of gene expression in the adult mouse brain. Nature. 445 (7124), 168-176 (2007).
- Shin, D. D., Ozyurt, I. B., Liu, T. T. The Cerebral Blood Flow Biomedical Informatics Research Network (CBFBIRN) database and analysis pipeline for arterial spin labeling MRI data. Front Neuroinform. 7, 21 (2013).
- Uhlirova, H., et al. Neurovascular Network Explorer 2.0: A Database of 2-Photon Single-Vessel Diameter Measurements from Mouse SI Cortex in Response To Optogenetic Stimulation. Front Neuroinform. 11, 4 (2017).
- Sridhar, V. B., Tian, P., Dale, A. M., Devor, A., Saisan, P. A. Neurovascular Network Explorer 1.0: a database of 2-photon single-vessel diameter measurements with MATLAB((R)) graphical user interface. Front Neuroinform. 8, 56 (2014).
- Tian, P., et al. Cortical depth-specific microvascular dilation underlies laminar differences in blood oxygenation level-dependent functional MRI signal. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (34), 15246-15251 (2010).
- . Use Our Data Available from: https://neurosciences.ucsd.edu/research/labs/nil/Pages/UseOurData.aspx (2017)
- Uhlirova, H., et al. Cell type specificity of neurovascular coupling in cerebral cortex. Elife. 5, (2016).
- Gagnon, L., et al. Quantifying the microvascular origin of BOLD-fMRI from first principles with two-photon microscopy and an oxygen-sensitive nanoprobe. J Neurosci. 35 (8), 3663-3675 (2015).
- Sakadzic, S., et al. Two-photon high-resolution measurement of partial pressure of oxygen in cerebral vasculature and tissue. Nat Methods. 7 (9), 755-759 (2010).
- Nizar, K., et al. In vivo stimulus-induced vasodilation occurs without IP3 receptor activation and may precede astrocytic calcium increase. J Neurosci. 33 (19), 8411-8422 (2013).
- Reznichenko, L., et al. In vivo alterations in calcium buffering capacity in transgenic mouse model of synucleinopathy. J Neurosci. 32 (29), 9992-9998 (2012).
- Langer, J., Rose, C. R. Synaptically induced sodium signals in hippocampal astrocytes in situ. J Physiol. 587 (Pt 24), 5859-5877 (2009).
- Gong, Y., et al. High-speed recording of neural spikes in awake mice and flies with a fluorescent voltage sensor. Science. 350 (6266), 1361-1366 (2015).
- Tantama, M., Hung, Y. P., Yellen, G. Optogenetic reporters: Fluorescent protein-based genetically encoded indicators of signaling and metabolism in the brain. Prog Brain Res. 196, 235-263 (2012).
- Devor, A., et al. “Overshoot” of O(2) is required to maintain baseline tissue oxygenation at locations distal to blood vessels. J Neurosci. 31 (38), 13676-13681 (2011).
- Devor, A., et al. Stimulus-induced changes in blood flow and 2-deoxyglucose uptake dissociate in ipsilateral somatosensory cortex. J Neurosci. 28 (53), 14347-14357 (2008).
- Rauch, A., Rainer, G., Logothetis, N. K. The effect of a serotonin-induced dissociation between spiking and perisynaptic activity on BOLD functional MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (18), 6759-6764 (2008).
- Lemmon, V. P., et al. Minimum information about a spinal cord injury experiment: a proposed reporting standard for spinal cord injury experiments. J Neurotrauma. 31 (15), 1354-1361 (2014).
- Ascoli, G. A., Donohue, D. E., Halavi, M. NeuroMorpho.Org: a central resource for neuronal morphologies. J Neurosci. 27 (35), 9247-9251 (2007).
- Mennes, M., Biswal, B. B., Castellanos, F. X., Milham, M. P. Making data sharing work: the FCP/INDI experience. Neuroimage. 82, 683-691 (2013).
- Marmarou, A., et al. IMPACT database of traumatic brain injury: design and description. J Neurotrauma. 24 (2), 239-250 (2007).
