Traçado neuronal - Neuronal tracing
O rastreamento neuronal , ou reconstrução de neurônios, é uma técnica usada em neurociência para determinar a via dos neuritos ou processos neuronais, os axônios e dendritos , de um neurônio . Do ponto de vista da preparação da amostra, pode referir-se a alguns dos seguintes, bem como outras técnicas de marcação de neurônios genéticos,
- Traçado anterógrado , para marcação do corpo celular até a sinapse;
- Traçado retrógrado , para marcação da sinapse ao corpo celular;
- Traçado neuronal viral , para uma técnica que pode ser usada para marcar em qualquer direção;
- Rastreamento manual de imagens neuronais.
Em sentido amplo, o rastreamento de neurônios está mais frequentemente relacionado à reconstrução digital da morfologia de um neurônio a partir de dados de imagem das amostras acima.
Reconstrução neuronal digital e rastreamento neuronal
A reconstrução digital ou rastreamento da morfologia dos neurônios é uma tarefa fundamental na neurociência computacional. Também é fundamental para mapear circuitos neuronais com base em imagens avançadas de microscópio, geralmente baseadas em microscopia de luz (por exemplo, microscopia de varredura a laser, imagem de campo claro) ou microscopia eletrônica ou outros métodos. Devido à alta complexidade da morfologia dos neurônios e ao ruído frequente em tais imagens, bem como à grande quantidade de dados de imagem normalmente encontrada, ela tem sido amplamente vista como uma das tarefas computacionais mais desafiadoras para a neurociência computacional. Muitos métodos baseados em análise de imagens foram propostos para traçar a morfologia dos neurônios, geralmente em 3D, manualmente, semiautomática ou completamente automática. Normalmente existem duas etapas de processamento: geração e edição da prova de uma reconstrução.
História
A necessidade de descrever ou reconstruir a morfologia de um neurônio provavelmente começou nos primeiros dias da neurociência, quando os neurônios foram marcados ou visualizados usando os métodos de Golgi . Muitos dos tipos de neurônios conhecidos, como neurônios piramidais e células Chandelier , foram descritos com base em sua caracterização morfológica.
O primeiro sistema de reconstrução de neurônios assistido por computador, agora conhecido como Neurolucida , foi desenvolvido pelo Dr. Edmund Glaser e pelo Dr. Hendrik Van der Loos na década de 1960.
As abordagens modernas para rastrear um neurônio começaram quando imagens digitalizadas de neurônios foram adquiridas usando microscópios. Inicialmente, isso era feito em 2D. Rapidamente após a imagem 3D avançada, especialmente a imagem de fluorescência e a imagem de microscopia eletrônica , houve uma grande demanda de rastreamento da morfologia dos neurônios a partir desses dados de imagem.
Métodos
Freqüentemente, os neurônios podem ser rastreados manualmente em 2D ou 3D. Para fazer isso, pode-se pintar diretamente a trajetória de processos neuronais em seções 2D individuais de um volume de imagem 3D e conseguir conectá-los, ou usar a pintura virtual 3D que converte diretamente qualquer trajetória pintada em 2D em uma imagem de projeção para 3D real processos neuronais. A principal limitação do rastreamento manual de neurônios é a enorme quantidade de trabalho no trabalho.
As reconstruções automatizadas de neurônios podem ser feitas usando modelagem (por exemplo, esferas ou tubos), ajuste e marcha, poda de reconstrução excessiva, conexão de custo mínimo de pontos-chave, raio-bursting e muitos outros. A esqueletização é uma etapa crítica na reconstrução automatizada de neurônios, mas, no caso da poda de todos os caminhos e suas variantes, ela é combinada com a estimativa dos parâmetros do modelo (por exemplo, diâmetros de tubo). A principal limitação do rastreamento automatizado é a falta de precisão, especialmente quando a morfologia do neurônio é complicada ou a imagem tem uma quantidade substancial de ruído.
O rastreamento semiautomático de neurônios geralmente depende de duas estratégias. Uma delas é executar o rastreamento de neurônios totalmente automatizado seguido pela curadoria manual de tais reconstruções. A forma alternativa é produzir algum conhecimento prévio, como as localizações terminais de um neurônio, com o qual um neurônio pode ser mais facilmente rastreado automaticamente. O rastreio semiautomático é frequentemente considerado uma solução equilibrada que tem um custo de tempo aceitável e uma precisão de reconstrução razoavelmente boa. O software de código aberto Vaa3D -Neuron, Neurolucida 360 , Imaris Filament Tracer e Aivia fornecem ambas as categorias de métodos.
O rastreamento de imagens de microscopia eletrônica é considerado mais desafiador do que o rastreamento de imagens de microscopia de luz, enquanto o último ainda é bastante difícil, de acordo com a competição DIADEM . Para rastrear dados de microscopia eletrônica, o rastreamento manual é usado com mais frequência do que os métodos alternativos automatizados ou semiautomáticos. Para rastrear dados de microscopia de luz, mais vezes os métodos automatizados ou semiautomáticos são usados.
Como o rastreamento de imagens de microscopia eletrônica leva muito tempo, o software de rastreamento manual colaborativo é útil. Crowdsourcing é uma forma alternativa de coletar efetivamente resultados de reconstrução manual colaborativa para tais conjuntos de dados de imagem.
Ferramentas e software
Uma série de ferramentas de rastreamento de neurônios, especialmente pacotes de software, estão disponíveis. Um pacote de software de código aberto abrangente que contém a implementação de uma série de métodos de rastreamento de neurônios desenvolvidos em diferentes grupos de pesquisa, bem como muitas funções de utilitários de neurônios, como medição quantitativa, análise, comparação, é Vaa3D e seus módulos Vaa3D-Neuron . Algumas outras ferramentas gratuitas, como o NeuronStudio, também fornecem função de rastreamento com base em métodos específicos. Os neurocientistas também usam ferramentas comerciais como Neurolucida , Neurolucida 360 , Aivia , Amira, etc. para rastrear e analisar neurônios. Estudos recentes mostram que Neurolucida é citado mais de 7 vezes do que todos os outros programas de rastreamento de neurônios disponíveis combinados, e também é o sistema mais amplamente usado e versátil para produzir reconstrução neuronal. O projeto BigNeuron (https://alleninstitute.org/bigneuron/about/) é um esforço de colaboração internacional substancial para integrar a maioria das ferramentas de rastreamento de neurônios conhecidas em uma plataforma comum para facilitar o código aberto e fácil acesso de várias ferramentas em um único Lugar, colocar. Novas ferramentas poderosas, como o UltraTracer, que pode rastrear um volume de imagem arbitrariamente grande, foram produzidas por meio desse esforço.
Formatos de neurônios e bancos de dados
As reconstruções de neurônios individuais podem ser armazenadas em vários formatos. Isso depende muito do software que foi usado para rastrear esses neurônios. O formato SWC, que consiste em uma série de compartimentos estruturais conectados topologicamente (por exemplo, um único tubo ou esfera), é frequentemente usado para armazenar neurônios rastreados digitalmente, especialmente quando a morfologia carece ou não precisa de modelos de forma 3D detalhados para compartimentos individuais. Outros formatos de neurônios mais sofisticados têm modelagem geométrica separada do corpo da célula do neurônio e processos neuronais usando Neurolucida, entre outros.
Existem alguns bancos de dados comuns de reconstrução de neurônio único. Um banco de dados amplamente usado é http://NeuroMorpho.Org, que contém mais de 86.000 morfologia de neurônios de> 40 espécies fornecidas em todo o mundo por vários laboratórios de pesquisa. O Allen Institute for Brain Science , o Janelia Research Campus do HHMI e outros institutos também estão gerando bancos de dados de neurônios únicos em grande escala. Muitos dos bancos de dados de neurônios relacionados em diferentes escalas também existem.