Gesundheit

Schnelle, automatische Identifizierung von einzelnen live-Gehirn-Zellen

Forscher arbeiten, um zu verstehen, das Gehirn auf eine high-definition -, single-cell level of detail entworfen haben ein neues computer-Programm zu identifizieren, die jede Nervenzelle in der Fluoreszenz-Mikroskop-Bilder von lebenden Würmern. Die bisherigen versuche zur Automatisierung der Identifikation von einzelnen Nerven-Zellen wurden vereitelt durch die Tatsache, dass die gleiche Zelle kann in sehr verschiedenen Standorten in verschiedenen Würmern.

Die Würmer C. elegans, winzigen Fadenwürmern Häufig in Boden-und Forschungslabors rund um die Welt. Jede der 959 Zelltypen in Tieren‘ transparent, 1 millimeter langen Körper wurde identifiziert, benannt und abgebildet, einschließlich Ihrer 302 Nervenzellen.

Wissenschaftler absolvierte die erste Karte der C. elegans Nervensystem 1986 und verbessert Sie seitdem. Mehr zu den jüngsten Projekten zählen OpenWorm, einer Laufenden globalen Anstrengungen zur Gestaltung einer Zelle-für-Zelle und behaviorally präzises virtuelles C. elegans—ein Forschungs-würdige version von einem Tamagotchi Haustier.

Trotz Ihrer Wert, generalisierte Gehirn-Atlanten, so genannte connectome Karten, sind noch nicht hilfreich für die Identifizierung von Neuronen in einzelnen live-Würmer. „Stell dir vor, Sie kannte die Namen aller Städte, die auf eine Karte, aber die Städte bewegt, jedes mal, wenn Sie sah. Das ist, wie es ist, versuchen, vergleichen Sie die aktuelle Hirn-Atlanten auf lebende Organismen“, sagte Professor Yuichi Iino von der University of Tokyo, co-Autor der jüngsten Studie, veröffentlicht in BMC-Biologie.

Iino die Arbeitsgruppe will zu identifizieren und die Zuordnung der einzelnen Nervenzelle im lebenden C. elegans, so dass Sie chart die Wege für die elektrischen Impulse, die das machen, Verhalten, lernen und Gedächtnis möglich.

C. elegans Nervenzellen im Gehirn sind nicht gefangen in einem Schädel, stattdessen bilden eine lose verpackt Gruppe von 150 Neuronen im Kopfbereich des Tieres. „Die Neuronen sind winzig, und in den Kopf von C. elegans, die Sie um diese große Birne, das ist ein Teil des Verdauungssystems, so dass Sie gedrückt und gezogen, um eine Menge, wie das Tier sich bewegt oder isst“, erklärt Iino.

Die Forscher begannen mit der Suche nach einzigartigen Kombinationen von Genen, die, wenn künstlich befestigt fluoreszierendes protein tags, würde dazu führen, 35 kleine Gruppen von Neuronen zu glühen unter einem Mikroskop. Diese neue, genetisch veränderte Stämme von C. elegans alle die Forscher, die spätere image-Studien und computer-Programmierung arbeiten möglich.

Die Forscher einzelne Nervenzellen in 311 worms insgesamt etwa 10 Würmer für jede der 35 neuronengruppen, und gemessen die Abstände und relativen Positionen zwischen Paaren von Neuronen in der Mikroskopie-Bilder.

Obwohl die Neuronen, die bekannt waren, um die Verschiebung innerhalb der einzelnen Wurm, niemand erwartet, dass die Neuronen haben unterschiedliche „home base“ Orte in verschiedenen Individuen. Die Positionen der zentralen Zelle Körper von einigen Neuronen variieren können, um mehr als 0,02 Millimeter zwischen verschiedenen Tieren, eine erhebliche Entfernung für ein Tier nur 1 millimeter lang.

„Die einzelnen C. elegans sind gedacht, um einheitlich sein, weil Sie alle fast die gleichen Zell-Linien und-stereotype neuronale Schaltkreis. Es war wirklich überraschend, obwohl, wie groß die positionalen Unterschiede zwischen den einzelnen Tieren“, sagte Assistant Professor Yu Toyoshima, co-erste Autor der jüngsten research paper und Mitglied des Iino lab.

Das Forschungsteam verwendete dann Ihre neue position variation der Daten und der C. elegans connectome Gehirn-atlas zu entwickeln, die ein computer-Programm, um automatisch zu identifizieren Neuronen. Das Programm nutzt einen mathematischen Algorithmus zu analysieren, ein Mikroskopie-Bild des C. elegans Gehirn und weisen die statistisch wahrscheinlichste Identität jedes neuron basiert auf das neuron die position im Verhältnis zu anderen Neuronen.

„Der Algorithmus ist nur 60 Prozent genau, das ist zu niedrig für die Vollautomatische Zelle Identifikation, aber es beschleunigt unsere Arbeit genug, um andere Projekte möglich, zu verstehen, neuronale Netze, basierend auf whole-brain imaging-Daten,“ sagte Toyoshima.

Teil dessen, was dieses Projekt möglich gemacht in C. elegans ist, dass jedes neuron bereits bekannt war und benannt werden. Mit einer ähnlichen Technik, die bei anderen Tieren würde erfordern fein abgestimmte genetische manipulation zu verursachen Gruppen von Neuronen zu Leuchten unter dem Mikroskop und wissen, wie viele Neuronen identifiziert werden müssen.