Automatische identificatie van dendritische takken en hun oriëntatie

Summary

Gepresenteerd is een computationele tool die eenvoudige en directe automatische meting van oriëntaties van neuronale dendritische takken van 2D-fluorescentiebeelden mogelijk maakt.

Abstract

De structuur van neuronale dendritische bomen speelt een sleutelrol bij de integratie van synaptische inputs in neuronen. Daarom is karakterisering van de morfologie van dendrieten essentieel voor een beter begrip van de neuronale functie. De complexiteit van dendritische bomen, zowel geïsoleerd als vooral wanneer ze zich binnen neuronale netwerken bevinden, is echter niet volledig begrepen. We ontwikkelden een nieuwe computationele tool, SOA (Segmentation and Orientation Analysis), waarmee automatisch de oriëntatie van dendritische takken kan worden gemeten op basis van fluorescentiebeelden van 2D-neuronale culturen. SOA, geschreven in Python, gebruikt segmentatie om dendritische takken te onderscheiden van de achtergrond van de afbeelding en verzamelt een database over de ruimtelijke richting van elke tak. De database wordt vervolgens gebruikt om morfologische parameters te berekenen, zoals de directionele verdeling van dendritische takken in een netwerk en de prevalentie van parallelle dendritische takgroei. De verkregen gegevens kunnen worden gebruikt om structurele veranderingen in dendrieten te detecteren als reactie op neuronale activiteit en op biologische en farmacologische stimuli.

Introduction

Dendritische morfogenese is een centraal onderwerp in de neurowetenschappen, omdat de structuur van de dendritische boom de computationele eigenschappen van synaptische integratie in neuronen beïnvloedt1,2,3. Bovendien zijn morfologische afwijkingen en modificaties in dendritische takken betrokken bij degeneratieve en neuro-ontwikkelingsstoornissen4,5,6. In neuronale culturen waar dendritische vertakking gemakkelijker kan worden gevisualiseerd, reguleren de interacties tussen niet-zu....

Protocol

OPMERKING: Het Israëlische ministerie van Volksgezondheid heeft het gebruik van muizen goedgekeurd onder protocol IL-218-01-21 voor het ethisch gebruik van proefdieren. SOA is alleen compatibel met Windows 10 en Python 3.9. Het is beschikbaar als een open-source code: https://github.com/inbar2748/DendriteProject. Op deze link is er ook een README. DM-bestand met aanwijzingen voor het downloaden van de software, een koppeling naar de website van de software en een vereistenbestand met informatie over de vereiste versies van alle pakketten. Aanvullende voorbeelden van analyses die met behulp van de software zijn uitgevoerd, zijn daar ook verstrekt.

Discussion

Effectieve strategieën voor het extraheren van morfologische informatie uit 2D-beelden zijn dringend nodig om biologische beeldvormingsgegevens bij te houden. Hoewel beeldgegevens in uren kunnen worden gegenereerd, duurt een diepgaande analyse van de beelden lang. Hierdoor is beeldverwerking op veel terreinen duidelijk een groot obstakel geworden. Dit is deels te wijten aan de hoge complexiteit van de gegevens, vooral bij het omgaan met biologische monsters. Bovendien, omdat veel gebruikers geen gespecialiseerde program.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Matplotlib	2002 - 2012 John Hunter, Darren Dale, Eric Firing, Michael Droettboom and the Matplotlib development team; 2012 - 2021 The Matplotlib development team.	3.4.2	a Python 2D plotting library
matplotlib-scalebar	Philippe Pinard	0.7.2	artist for matplotlib to display a scale bar
NumPy	The NumPy community.	1.20.3	fundamental package for scientific computing library
OpenCV	OpenCV team	4.5.2.54	Open Source Computer Vision Library
PyCharm	JetBrains	2020.3.1 (Community Edition) version	Build #PC-203.6682.86, built on December 18, 2020. Runtime version: 11.0.9.1+11-b1145.37 amd64. VM: OpenJDK 64-Bit Server VM by JetBrains s.r.o. Windows 10 10.0. Memory: 978M, Cores: 4
PyQt5	Riverbank Computing	5.15.4	manage the GUI
python	Python Software Foundation License	3.9 version
Qt Designer	The QT Company Ltd.	5.11.1 version
scipy	Community library project	1.6.3	Python-based ecosystem of open-source software for mathematics, science, and engineering
Seaborn	Michael Waskom.	0.11.1	Python's Statistical Data Visualization Library.
Windows 10	Microsoft
Xlsxwriter	John McNamara	1.4.3	Python module for creating Excel XLSX files