Trazado neuronal - Neuronal tracing

El rastreo neuronal , o reconstrucción neuronal, es una técnica utilizada en neurociencia para determinar la vía de las neuritas o procesos neuronales, los axones y dendritas , de una neurona . Desde el punto de vista de la preparación de la muestra, puede referirse a algunas de las siguientes técnicas, así como a otras técnicas de etiquetado genético de neuronas:

  • Trazado anterógrado , para marcar desde el cuerpo celular hasta la sinapsis;
  • Rastreo retrógrado , para etiquetar desde la sinapsis hasta el cuerpo celular;
  • Rastreo neuronal viral , para una técnica que se puede utilizar para marcar en cualquier dirección;
  • Seguimiento manual de imágenes neuronales.

En sentido amplio, el rastreo de neuronas se relaciona más a menudo con la reconstrucción digital de la morfología de una neurona a partir de los datos de imágenes de las muestras anteriores.

Reconstrucción neuronal digital y rastreo neuronal

La reconstrucción digital o el rastreo de la morfología neuronal es una tarea fundamental en la neurociencia computacional. También es fundamental para mapear circuitos neuronales basados ​​en imágenes microscópicas avanzadas, generalmente basadas en microscopía óptica (por ejemplo, microscopía de barrido láser, imágenes de campo brillante) o microscopía electrónica u otros métodos. Debido a la alta complejidad de la morfología de las neuronas y a la presencia de mucho ruido en tales imágenes, así como a la gran cantidad de datos de imágenes que se encuentran típicamente, se ha considerado ampliamente como una de las tareas computacionales más desafiantes para la neurociencia computacional. Se han propuesto muchos métodos basados ​​en análisis de imágenes para rastrear la morfología de las neuronas, generalmente en 3D, de forma manual, semiautomática o completamente automática. Normalmente hay dos pasos de procesamiento: generación y edición de prueba de una reconstrucción.

Historia

La necesidad de describir o reconstruir la morfología de una neurona probablemente comenzó en los primeros días de la neurociencia, cuando las neuronas se etiquetaban o visualizaban utilizando los métodos de Golgi . Muchos de los tipos de neuronas conocidos, como las neuronas piramidales y las células Chandelier , se describieron en función de su caracterización morfológica.

El primer microscopio computarizado para analizar la morfología neuronal creado por el Dr. Edmund Glaser y el Dr. Hendrik Van der Loos en la década de 1960

El primer sistema de reconstrucción de neuronas asistido por computadora, ahora conocido como Neurolucida , fue desarrollado por el Dr. Edmund Glaser y el Dr. Hendrik Van der Loos en la década de 1960.

Los enfoques modernos para rastrear una neurona comenzaron cuando se adquirieron imágenes digitalizadas de neuronas utilizando microscopios. Inicialmente esto se hizo en 2D. Poco después de las imágenes 3D avanzadas, especialmente las imágenes de fluorescencia y las imágenes de microscopio electrónico , hubo una gran demanda de rastrear la morfología de las neuronas a partir de estos datos de imágenes.

Métodos

Ilustración esquemática del rastreo digital de la morfología de una neurona

Las neuronas a menudo se pueden rastrear manualmente en 2D o 3D. Para hacerlo, se puede pintar directamente la trayectoria de los procesos neuronales en secciones 2D individuales de un volumen de imagen 3D y lograr conectarlas, o usar la pintura de dedos virtual 3D que convierte directamente cualquier trayectoria pintada en 2D en una imagen de proyección en 3D real. Procesos neuronales. La principal limitación del rastreo manual de neuronas es la enorme cantidad de trabajo en el trabajo.

Las reconstrucciones automatizadas de neuronas se pueden realizar utilizando modelos (por ejemplo, esferas o tubos) que se ajustan y marchan, poda de la reconstrucción excesiva, conexión de puntos clave con un costo mínimo, explosión de rayos y muchos otros. La esqueletización es un paso crítico en la reconstrucción neuronal automatizada, pero en el caso de la poda total y sus variantes, se combina con la estimación de los parámetros del modelo (por ejemplo, diámetros de tubo). La principal limitación del rastreo automático es la falta de precisión, especialmente cuando la morfología de la neurona es complicada o la imagen tiene una cantidad sustancial de ruido.

El rastreo de neuronas semiautomatizado a menudo depende de dos estrategias. Una es ejecutar el rastreo de neuronas completamente automatizado seguido de la curación manual de tales reconstrucciones. La forma alternativa es producir algún conocimiento previo, como las ubicaciones de los terminales de una neurona, con el que una neurona se puede rastrear más fácilmente de forma automática. A menudo se piensa que el rastreo semiautomático es una solución equilibrada que tiene un costo de tiempo aceptable y una precisión de reconstrucción razonablemente buena. El software de código abierto Vaa3D -Neuron, Neurolucida 360 , Imaris Filament Tracer y Aivia proporcionan ambas categorías de métodos.

Se cree que el rastreo de imágenes de microscopía electrónica es más desafiante que el rastreo de imágenes de microscopía óptica, mientras que este último sigue siendo bastante difícil, según la competencia DIADEM . Para rastrear datos de microscopía electrónica, el rastreo manual se usa con más frecuencia que los métodos alternativos automatizados o semiautomatizados. Para rastrear datos de microscopía óptica, se utilizan más veces los métodos automatizados o semiautomatizados.

Dado que el rastreo de imágenes de microscopía electrónica lleva una cantidad considerable de tiempo, el software colaborativo de rastreo manual es útil. El crowdsourcing es una forma alternativa de recopilar de manera eficaz los resultados de la reconstrucción manual colaborativa para tales conjuntos de datos de imágenes.

Herramientas y software

Se encuentran disponibles varias herramientas de rastreo de neuronas, especialmente paquetes de software. Un paquete completo de software de código abierto que contiene la implementación de una serie de métodos de rastreo de neuronas desarrollados en diferentes grupos de investigación, así como muchas funciones de utilidades neuronales como medición cuantitativa, análisis sintáctico, comparación, es Vaa3D y sus módulos Vaa3D-Neuron . Algunas otras herramientas gratuitas como NeuronStudio también proporcionan una función de rastreo basada en métodos específicos. Los neurocientíficos también utilizan herramientas comerciales como Neurolucida , Neurolucida 360 , Aivia , Amira, etc. para rastrear y analizar neuronas. Estudios recientes muestran que Neurolucida se cita más de 7 veces más que todos los demás programas de rastreo de neuronas disponibles combinados, y también es el sistema más utilizado y versátil para producir reconstrucción neuronal. El proyecto BigNeuron (https://alleninstitute.org/bigneuron/about/) es un reciente esfuerzo de colaboración internacional sustancial para integrar la mayoría de las herramientas de rastreo de neuronas conocidas en una plataforma común para facilitar el código abierto, el fácil acceso a varias herramientas en una sola lugar. Gracias a este esfuerzo, se han producido nuevas y poderosas herramientas como UltraTracer, que pueden rastrear un volumen de imagen arbitrariamente grande.

Formatos y bases de datos de neuronas

Las reconstrucciones de neuronas individuales se pueden almacenar en varios formatos. Esto depende en gran medida del software que se haya utilizado para rastrear dichas neuronas. El formato SWC, que consta de varios compartimentos estructurales conectados topológicamente (por ejemplo, un solo tubo o esfera), se utiliza a menudo para almacenar neuronas trazadas digitalmente, especialmente cuando la morfología carece o no necesita modelos de forma 3D detallados para compartimentos individuales. Otros formatos de neuronas más sofisticados tienen modelos geométricos separados del cuerpo celular de la neurona y los procesos neuronales utilizando Neurolucida, entre otros.

Existen algunas bases de datos comunes de reconstrucción de neuronas únicas. Una base de datos ampliamente utilizada es http://NeuroMorpho.Org que contiene más de 86.000 morfología neuronal de más de 40 especies aportadas en todo el mundo por varios laboratorios de investigación. El Instituto Allen de Ciencias del Cerebro , el Campus de Investigación Janelia del HHMI y otros institutos también están generando bases de datos de neuronas individuales a gran escala. También existen muchas bases de datos de datos de neuronas relacionadas a diferentes escalas .

Referencias