Rekonstrukcja obwodów nerwowych

Rekonstrukcja obwodów nerwowych to rekonstrukcja szczegółowych obwodów układu nerwowego (lub części układu nerwowego) zwierzęcia. Czasami nazywa się to rekonstrukcją EM , ponieważ główną stosowaną metodą jest mikroskop elektronowy (EM). Dziedzina ta jest bliskim krewnym inżynierii wstecznej urządzeń stworzonych przez człowieka i jest częścią dziedziny konektomiki , która z kolei jest poddziedziną neuroanatomii .

Systemy modelowe

Niektóre systemy modelowe wykorzystywane do rekonstrukcji obwodów to muszka owocowa , mysz i nicień C. elegans .

przygotowanie próbki

Próbkę należy utrwalić, zabarwić i zatopić w plastiku.

Obrazowanie

Próbkę można pociąć na cienkie plasterki za pomocą mikrotomu , a następnie zobrazować za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej . Alternatywnie, próbkę można obrazować za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego , a następnie powierzchnię ścierać za pomocą zogniskowanej wiązki jonów lub przycinać za pomocą mikrotomu w mikroskopie. Następnie próbka jest ponownie obrazowana, a proces powtarza się, aż do przetworzenia pożądanej objętości.

Przetwarzanie obrazu

Pierwszym krokiem jest wyrównanie poszczególnych obrazów w spójną trójwymiarową objętość.

Objętość jest następnie opatrzona adnotacjami przy użyciu jednej z dwóch głównych metod. Pierwszy ręcznie identyfikuje szkielety każdego neurytu . Druga technika wykorzystuje komputerowe oprogramowanie wizyjne do identyfikacji wokseli należących do tego samego neuronu, które następnie są korygowane w procesie korekty .

Godne uwagi przykłady

• Connectom C. elegans był przełomowym dziełem w tej dziedzinie. Obwód ten został uzyskany z dużym nakładem pracy przy użyciu ręcznie wyciętych odcinków i czysto ręcznych adnotacji na kliszy fotograficznej. Przez wiele lat była to jedyna dostępna rekonstrukcja obwodu.

• Centralny mózg muszki owocowej Drosophila Melanogaster został wydany w 2020 roku. Ta publikacja danych wprowadziła pierwsze narzędzia online do wyszukiwania konektomu.

Wyszukiwanie konektomu

Konektomy mózgów organizmów wyższych wymagają znacznych danych. Na przykład w przypadku muszki owocowej około 10 terabajtów danych obrazu jest przetwarzanych przez ludzi i komputery w celu wygenerowania kilku gigabajtów danych konektomu. Łatwa interakcja z tymi danymi wymaga interaktywnego interfejsu zapytań, w którym badacze mogą przeglądać interesującą ich część danych bez pobierania całego zestawu danych i bez specjalnego szkolenia. Konkretnym przykładem tej technologii jest NeuPrint do konektomów generowanych w HHMI. Naśladuje to infrastrukturę genetyki, w której znajdują się interaktywne narzędzia do wyszukiwania, takie jak BLAST są zwykle używane do przyjrzenia się interesującym genom, które w większości badań obejmują tylko niewielką część genomu.

Ograniczenia i przyszła praca

Zrozumienie szczegółowego działania zrekonstruowanych sieci wymaga również znajomości połączeń szczelinowych (trudnych do zauważenia przy użyciu istniejących technik), tożsamości neuroprzekaźników oraz lokalizacji i tożsamości receptorów . Ponadto neuromodulatory mogą rozprzestrzeniać się na duże odległości i nadal silnie wpływać na funkcje. Obecnie cechy te muszą być uzyskiwane innymi technikami. Alternatywną metodą może być mikroskopia ekspansyjna .