Name: 3d scanning technology bridging microcircuits and macroscale brain images in 3d novel embedding overlapping protocol
Uploaded: 2019-05-12T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about 3D Scanning Technology Bridging Microcircuits and Macroscale Brain Images in 3D Novel Embedding Overlapping Protocol at JoVE.com

M.S. er taknemmelig for støtte fra alle de ansatte i medicinsk information Engineering kursus i Graduate School of Medicine og Faculty of Medicine, og ønsker at takke Prof. Tetsuya Takakuwa, Prof. Nobukatsu Sawamoto, og Doris Zakian for deres hjælpsomme Kommentarer. Denne undersøgelse blev støttet af en støtte til udfordrende sonderende forskning og af det førende initiativ for fremragende unge forskere (LEADER) program til at M.S. fra MEXT (Ministeriet for uddannelse, kultur, sport, videnskab og teknologi). MRI eksperimenter i dette arbejde blev udført i divisionen for små dyr MRI, medicinsk forskning støtte Center, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Japan.

Alle eksperimentelle procedurer, der er beskrevet her, er blevet godkendt af Kyoto-universitetets dyrebeskyttelses Komité.
1. dyr (dag 1)
<ol><li>Forbered kvindelige C57BL/6J mus (n = 6, i alderen 3 − 5 uger). Bemærk: Denne protokol gælder for alle gnaverarter.</li>
</ol>2. MRI-indstillinger (dag 1)
<ol><li>Sæt musen i en akryl anæstesi boks placeret på en varmelegeme mat justeret til 37 °C ved hjælp af en radiator mat controll...

<ol>
	<li>Vogelsberger, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Properties+of+galaxies+reproduced+by+a+hydrodynamic+simulation.">Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation.</a> Nature. 509 (7499), 177-182 (2014).</li><li>Zhang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+systems+approach+identifies+genetic+nodes+and+networks+in+late-onset+Alzheimer&#8217;s+disease.">Integrated systems approach identifies genetic nodes and networks in late-onset Alzheimer&#8217;s disease.</a> Cell. 153 (3), 707-720 (2013).</li><li>Sporns, O., Chialvo, D. R., Kaiser, M., Hilgetag, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organization,+development+and+function+of+complex+brain+networks.">Organization, development and function of complex brain networks.</a> Trends in Cognitive Sciences. 8 (9), 418-425 (2004).</li><li>Shimono, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-uniformity+of+cell+density+and+networks+in+the+monkey+brain.">Non-uniformity of cell density and networks in the monkey brain.</a> Scientific Reports. 3, 2541 (2013).</li><li>DeFelipe, J., Jones, E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Cajal on the Cerebral Cortex: An Annotated Translation of the Complete Wrings. , (1988).</li><li>Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Principles of Neural Science. , (2013).</li><li>Pine, J., Taketani, M., Baudry, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+history+of+MEA+development.">A history of MEA development.</a> Advances in Network Electrophysiology. , 3-23 (2006).</li><li>Grienberger, C., Konnerth, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+calcium+in+neurons.">Imaging calcium in neurons.</a> Neuron. 73 (5), 862-885 (2012).</li><li>Shimono, M., Beggs, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+clusters,+hubs,+and+communities+in+the+cortical+microconnectome.">Functional clusters, hubs, and communities in the cortical microconnectome.</a> Cerebral Cortex. 25 (10), 3743-3757 (2014).</li><li>Amunts, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=BigBrain:+An+Ultrahigh-Resolution+3D+Human+Brain+Model.">BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model.</a> Science. 340, 1472-1475 (2013).</li><li>Ali, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rigid+and+non-rigid+registration+of+polarized+light+imaging+data+for+3D+reconstruction+of+the+temporal+lobe+of+the+human+brain+at+micrometer+resolution.">Rigid and non-rigid registration of polarized light imaging data for 3D reconstruction of the temporal lobe of the human brain at micrometer resolution.</a> NeuroImage. 181, 235-251 (2018).</li><li>Kozai, T. D. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasmall+implantable+composite+microelectrodes+with+bioactive+surfaces+for+chronic+neural+interfaces.">Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces.</a> Nature Materials. 11, 1065-1073 (2012).</li><li>Kampasi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual+color+optogenetic+control+of+neural+populations+using+low-noise,+multishank+optoelectrodes.">Dual color optogenetic control of neural populations using low-noise, multishank optoelectrodes.</a> Microsystems &amp; Nanoengineering. 4 (1), 10 (2018).</li><li>Hellwig, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+analysis+of+the+local+connectivity+between+pyramidal+neurons+in+layers+2/3+of+the+rat+visual+cortex.">A quantitative analysis of the local connectivity between pyramidal neurons in layers 2/3 of the rat visual cortex.</a> Biological Cybernetics. 82 (2), 111-121 (2000).</li><li>Bezgin, G., Reid, A. T., Schubert, D., K&#246;tter, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matching+spatial+with+ontological+brain+regions+using+Java+tools+for+visualization,+database+access,+and+integrated+data+analysis.">Matching spatial with ontological brain regions using Java tools for visualization, database access, and integrated data analysis.</a> Neuroinformatics. 7 (1), 7-22 (2009).</li><li>Holmgren, C., Harkany, T., Svennenfors, B., Zilberter, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pyramidal+cell+communication+within+local+networks+in+layer+2/3+of+rat+neocortex.">Pyramidal cell communication within local networks in layer 2/3 of rat neocortex.</a> The Journal of Physiology. 551 (1), 139-153 (2003).</li><li>Boucsein, C., Nawrot, M., Schnepel, P., Aertsen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beyond+the+cortical+column:+abundance+and+physiology+of+horizontal+connections+imply+a+strong+role+for+inputs+from+the+surround.">Beyond the cortical column: abundance and physiology of horizontal connections imply a strong role for inputs from the surround.</a> Frontiers in Neuroscience. 5 (32), 1-13 (2011).</li><li>Edelsbrunner, H., Aronov, J. P. B., Basu, S., Sharir, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+reconstruction+by+wrapping+finite+point+sets+in+space.">Surface reconstruction by wrapping finite point sets in space.</a> Discrete and Computational Geometry - The Goodman-Pollack Festschrift. , 379-404 (2003).</li><li>Roland, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+brain+atlas:+For+high&#8208;resolution+functional+and+anatomical+mapping.">Human brain atlas: For high&#8208;resolution functional and anatomical mapping.</a> Human Brain Mapping. 1 (3), 173-184 (1994).</li><li>Johnson, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Waxholm+space:+an+image-based+reference+for+coordinating+mouse+brain+research.">Waxholm space: an image-based reference for coordinating mouse brain research.</a> NeuroImage. 53 (2), 365-372 (2010).</li><li>Evans, A. C., Janke, A. L., Collins, D. L., Baillet, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+templates+and+atlases.">Brain templates and atlases.</a> NeuroImage. 62 (2), 911-922 (2012).</li><li>Okabe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain/MINDS&#8211;a+new+program+for+comprehensive+analyses+of+the+brain.">Brain/MINDS&#8211;a new program for comprehensive analyses of the brain.</a> Microscopy. 64 (1), 3-4 (2015).</li><li>Shimono, M., Hatano, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+communication+dynamics+on+macro-connectome,+and+the+propagation+speed.">Efficient communication dynamics on macro-connectome, and the propagation speed.</a> Scientific Reports. 8 (1), 2510 (2018).</li></ol>

Vi har udviklet en ny protokol kaldet 3D-NEO-protokollen til at bygge bro mellem makroskopiske og mikroskopiske rumlige skalaer ved at overlappe to hjerne flader mere præcist end før. Oprindeligt var der to udfordringer i at skabe denne protokol, som gjorde det muligt at nøjagtig overlapning af to hjerne overflade billeder og optagelse af sunde neuronal aktiviteter fra levende organismer. For det første var det nødvendigt effektivt at tørre skære opløsningen omkring den ekstraherede hjerne efter ekstraktion fra k...

Ikke-ensartede multiscale arkitekturer ved forskellige fysiske og biologiske organisationer er almindeligt forekommende1,2. Hjernen er også en meget ikke-ensartet og multi skala netværksorganisation3,4. Forskellige kognitive funktioner er kodet i sådanne netværk organisationer, bedrift tidsmæssige ændringer af elektriske Spike mønstre af neuronal populationer i submillisecond tidsmæssige opløsninger. Historisk set blev de komplekse netværk blandt neuroner strukturelt observeret i detaljer ved hjælp af farvnings teknikkerne af Santiago Ramón y cajal fra over 150 år siden5. For at observere gruppe adfærd af aktive neuroner, forskere har udviklet forskellige optagelses teknologier6,7,8, og den seneste betydelige udvikling af sådanne teknologier har gjort det muligt for os at registrere elektriske aktiviteter fra et stort antal neuroner samtidigt. Ud fra sådanne funktionelle aktiviteter har forskerne desuden formået at genopbygge netværk af kausale interaktioner mellem et stort antal neuroner og har erklæret den topologiske arkitektur af deres komplekse interaktioner ' microconnectome '9 . Makroskopiske observationer af hjernen giver også mulighed for med hensyn til en hel hjerne som et netværk organisation, fordi mange hjerneregioner er forbundet med flere fiber-bundter. Indlejringen af microconnectomes i det globale hjerne kort har stadig klare begrænsninger inden for de nuværende teknologiske fremskridt, hvilket er grunden til, at denne integrerings protokol er så vigtig. Der er dog mange udfordringer i udviklingen af integrerings protokollen. For eksempel, for at observere aktiviteter af levende lokale neuronal kredsløb i rent isolerede hjerneområder, hjerne skiver skal produceres til in vitro-optagelser. Derudover er optagelser fra hjerne skiver til in vitro-optagelser stadig et vigtigt valg af mindst to grunde. For det første er det stadig ikke let at observere aktiviteter af mange levende individuelle neuroner samtidig fra hjernen regioner dybere end ~ 1,5 mm og i høj tidsmæssig opløsning (< 1 MS). For det andet, når vi håber at kende den interne arkitektur af en lokal neuronal kredsløb, er vi nødt til at stoppe alle indgange, der kommer fra eksterne hjerneregioner for at eliminere forstyrrende faktorer. For at identificere retninger og positioner af producerede hjerne skiver, vil det være yderligere nødvendigt at integrere de rumlige positioner af disse producerede hjerne skiver ved hjælp af koordinater. Der er dog et par systematiske og pålidelige måder at gøre hjernen skiver på en organiseret måde10,11. Her introduceres en ny koregistration protokol, ved hjælp af 3D scanning teknologi til neurovidenskabelig forskning for at give en integrativ protokol. Denne protokol handler om at koordinere mikro-og makro vægte og integrere mikrodata12,13 og farvnings data på et makroskopisk MRI-rum via 3D-scannings flader af ekstraherede hjerner samt af ikke-invasivt optaget hjerne. Overraskende, indeværende viste en afstand fejl i bare ~ 50 μm nemlig den måde værdi i den histogram. Som følge heraf var tilstandsværdierne for minimumsafstande mellem to overflader mellem MRI-overfladen og den scannede 3D-overflade næsten 50 μm for alle seks mus, hvilket er et passende tal, når der søges efter ensartethed blandt individer. Den typiske skive bredde havde en indspillet Spike aktivitet på omkring 300 μm.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Air compressor</td>
			<td>Kimura Medical</td>
			<td>KA-100</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>All-in-one fluorescence microscope</td>
			<td>KEYENCE</td>
			<td>BZ-X710</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anesthesia box</td>
			<td>Bio Research Center</td>
			<td>RIC-01</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anesthesia system</td>
			<td>ACOMA Medical Industry</td>
			<td>NS-5000A</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-GAD67, clone 1G10.2</td>
			<td>Merk Millipore</td>
			<td>MAB5406</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcium Chrolide</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>06729-55</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Choline Chloride</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>08809-45</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>curved blunt forceps</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposal scalpel</td>
			<td>Kai</td>
			<td>10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-PBS(-) without Ca and Mg, liquid(10x)</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td></td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D(+)-Glucose</td>
			<td>Wako</td>
			<td>049-31165</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gelatin</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>16605-42</td>
			<td>re-secctioning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A32723</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 555</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A32732</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heater mat</td>
			<td>Bio Research Center</td>
			<td>HM-10</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heater mat controller</td>
			<td>Bio Research Center</td>
			<td>BWT-100A</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heater system</td>
			<td>SA Instruments</td>
			<td>MR-compatible Small Animal Heating System</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>AbbVie</td>
			<td></td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane vaporizer</td>
			<td>ACOMA Medical Industry</td>
			<td>MKIIIai</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear Slicer</td>
			<td>DOSAKA</td>
			<td>Neo Linear Slicer MT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L(+)-Ascorbic Acid Sodium Salt</td>
			<td>Wako</td>
			<td>196-01252</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium Chrolide Hexahydrate</td>
			<td>Wako</td>
			<td>135-00165</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MaxOne Single-Well MEA</td>
			<td>MaxWell Biosystems</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal Spatula</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monitoring system</td>
			<td>SA Instruments</td>
			<td>Model 1025</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monitoring software</td>
			<td>SA Instruments</td>
			<td>PC-SAM V.5.12</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI compatible cradle</td>
			<td>Bruker BioSpin</td>
			<td>T12812</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI coil</td>
			<td>Bruker BioSpin</td>
			<td>T9988</td>
			<td>For MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI operation software</td>
			<td>Bruker BioSpin</td>
			<td>ParaVision 5.1</td>
			<td>For MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neo LinearSlicer MT</td>
			<td>D.S.K.</td>
			<td>NLS-MT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NeuN (D4G40) XP Rabbit mAb</td>
			<td>Cell Signaling</td>
			<td>24307</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Normal Goat Serum</td>
			<td>Wako</td>
			<td>143-06561</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Chloride</td>
			<td>Wako</td>
			<td>163-03545</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene Glycol Mono-p-isooctylphenyl Ether</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>12967-45</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure-sensitive respiration sensor</td>
			<td>SA Instruments</td>
			<td>RS-301</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Preclinical MRI scanner</td>
			<td>Bruker BioSpin</td>
			<td>BioSpec 70/20 USR</td>
			<td>For MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pyruvic Acid Sodium Salt</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>29806-54</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SCAN in a BOX</td>
			<td>Open Technologies srl</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>scissors</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sieve bottle</td>
			<td>TIGERCROWN</td>
			<td>81</td>
			<td>For 3D scan</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SlowFade Gold Antifade Mountant</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>S36937</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Wako</td>
			<td>191-01665</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Dihydrogenphosphate</td>
			<td>Wako</td>
			<td>197-09705</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydrogen Carbonate</td>
			<td>Wako</td>
			<td>191-01305</td>
			<td>aCSF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydrogensulfite</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>31220-15</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermistor temperature probe</td>
			<td>SA Instruments</td>
			<td>RTP-101-B, PLTPC-300</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tooth bar</td>
			<td>Bruker BioSpin</td>
			<td>T10146</td>
			<td>Animal preparation for MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Winged intravenous needle</td>
			<td>TERUMO</td>
			<td>SV-23CLK</td>
			<td>For perfusion</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 mol/l-Tris-HCl Buffer Solution</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>35436-01</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 mol/l-Hydrochloric Acid</td>
			<td>nacalai tesque</td>
			<td>37314-15</td>
			<td>For pH adjustment of solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16%-Paraformaldehyde Aqueous Solution</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>15710</td>
			<td>For immunostaining</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d scanning technology bridging microcircuits and macroscale brain images in 3d novel embedding overlapping protocol

Den menneskelige hjerne, som er en multi skala system, har både makroskopiske elektriske signaler, globalt flyder langs tykke hvide stof fiber bundter, og mikroskopiske neuronal pigge, formerings langs axoner og dendritter. Begge skalaer supplerer forskellige aspekter af menneskets kognitive og adfærdsmæssige funktioner. På det makroskopiske niveau har MRI været den nuværende standard billedbehandlingsteknologi, hvor den mindste rumlige opløsning, voxel størrelse, er 0,1 – 1 mm3. Også på mikroskopisk niveau, tidligere fysiologiske undersøgelser var klar over ikke-ensartede neuronal arkitekturer inden for sådanne voxels. Denne undersøgelse udvikler en effektiv måde til præcist at integrere mikroskopiske data i et makroskopisk kort ved at grænseflade biologisk videnskabelig forskning med teknologiske fremskridt i 3D-scanningsteknologi. Da 3D scanningsteknologi for det meste er blevet brugt til ingeniørarbejde og industrielt design indtil nu, det er repurposed for første gang at indlejre microconnectomes i hele hjernen samtidig bevare naturlige spiking i levende hjerneceller. For at opnå dette formål, først, vi konstrueret en scanning protokol til at opnå nøjagtige 3D-billeder fra levende bio-organismer i sagens natur udfordrende at billedet på grund af fugtige og reflekterende overflader. For det andet, vi uddannet til at holde fart for at forhindre nedbrydning af levende hjernevæv, som er en nøglefaktor i at bevare bedre betingelser og registrere mere naturlige neuronal pigge fra aktive neuroner i hjernevæv. To kortikale overflade billeder, uafhængigt udvundet fra to forskellige billedbehandlings moduler, nemlig MRI-og 3D-scanner overflade billeder, viser overraskende en afstands fejl på kun 50 μm som tilstandsværdi af histogrammet. Denne nøjagtighed kan sammenlignes med den mikroskopiske opløsning af intercellulære afstande. også, det er stabilt blandt forskellige individuelle mus. Denne nye protokol, 3D romanen Embedding overlappende (3D-NEO) protokol, broer makroskopiske og mikroskopiske niveauer afledt af denne Integrative protokol og accelererer nye videnskabelige resultater for at studere omfattende forbindelses arkitekturer (dvs. microconnectome).

Vi vurderede afstanden mellem de kortikale overflader, der produceres ved stripping MRI-volumen, og overflader opnået fra 3D-scanninger af ekstraherede hjerner. Tilstandsværdierne for histogrammet for afstandene er kun 55 μm (figur 3a). Når du akkumulerer histogrammet fra det punkt, hvor afstanden er lig med nul, når den akkumulerede værdi desuden 90% af det samlede antal prøve numre ved ~ 300 μm (figur 3b). Det sidste hi...

Watch this Scientific Journal Video about 3D Scanning Technology Bridging Microcircuits and Macroscale Brain Images in 3D Novel Embedding Overlapping Protocol at JoVE.com

3D Scanning Technology Bridging Microcircuits and Macroscale Brain Images in 3D Novel Embedding Overlapping Protocol

3D scanning teknologi bridging mikrokredsløb og makro skala hjernen billeder i 3D roman indlejring overlappende protokol

Denne artikel introducerer en eksperimentel protokol med 3D-scanningsteknologi, som bygger bro mellem to rumlige skalaer: den makroskopiske rumlige skala af helhjernens anatomi, som er afbildet af MRI ved > 100 μm og den mikroskopiske rumlige skala af neuronal distributioner ved immun Histokemisk farvning og et multielektrode array system og andre metoder (~ 10 μm).

The human brain, being a multiscale system, has both macroscopic electrical signals, globally flowing along thick white-matter fiber bundles, and ...

Denne protokol er den første til at indføre 3D-scanning teknologi i den anatomiske, specielt neuroanatomiske forskning område, og har opnået meget præcise overlappende ydeevne. 3D neuro indlejring overlapper, eller 3D neuro protokol, integrerer mikro-skala sterile stikkontakter i makro-skala hjerne billeder, og broer disse forskellige rumlige skalaer problemfrit. Vi er også nødt til at anvende 3D neuro protokol til menneskelige MRI'er og post-mortem hjerne.Den overlappende gør det muligt for os at identificere kendte MR-kontrast mønstre i forbindelse med sygdom. 3D-scanningssystemer er følsomme over for vand omkring den udtrukne bioorganisme, så det er vigtigt at tørre vandet meget omhyggeligt. Desuden skal proceduren udføres så hurtigt som muligt.Begynd denne procedure med forberedelse af en mus samt MR-anskaffelser og udstyrsforberedelser som beskrevet i tekstprotokollen. På dag to, skære hovedbunden af en tidligere aflivet mus langs sagittal sutur ved hjælp af kirurgisk saks. Brug kirurgisk saks til at skære kraniet i diagonale retninger fra lambda punkt til et punkt lidt foran bregma.Derefter forsigtigt skræl kraniet fra hjernen ved hjælp af buede pincet. Løft hjernen med en spatel og overfør den til en petriskål med iskold skæreopløsning. Ved hjælp af en ekstern gasbombe med en kontrolleret roterende pumpehastighed, flow luft, der indeholder 95% ilt og 5% kuldioxid til at generere små bobler i iskolde skæreløsning.Efter et til to minutter, sætte hjernen på en mikrofiber klud, hvis overflade er lidt dækket af en mel sigte. Tør forsigtigt væsken af hjernens overflade ved hjælp af mikrofiberkluden. Sæt hjernen, med dens dorsale aspekt op, på prøven stå.Placer derefter prøvestanden i midten af den automatiske pladespiller. Gør rummet mørkere under 3D-scanningen, og udfør en 3D-scanning på pladespilleren. Hvis du vil teste, om 3D-scanningen fungerer godt, skal du klikke på 3D-scanning ved at vælge vinklen mellem to billeder som 22,5, startvinklen som nul og den endelige vinkel som 360.Flyt hjernen til en petriskål, og boble hjernen i skæreopløsningen i ca. 10 sekunder. Skær hjernen i to blokke i midten af koronal flyet, ved hjælp af en skalpel. Derefter flytte de to hjerneblokke forsigtigt til den flade overflade ved hjælp af en kirurgisk spatel.Fastgør hjernen blokke af hjernen blok base ved hjælp af øjeblikkelig lim. Tør væsken blødt og forsigtigt af fra hjernens overflade inden for et til to minutter ved hjælp af mikrofiberkluden. Udfør derefter en 3D-scanning igen.Fastgør en klinge til klingeholderen på vibratomen. Fastgør den sorte tape, der dækker midten af hjerneblokbasen, til midten af skærestadiet for at få en vibratom. Hæld skæreopløsningen ind i skærefasen, og sæt skærestadiet på vibratomen.Juster skærehastigheden og amplituden. Gør to til fem koronale skiver af 300 mikron tyk fra de to hjerneblokke. Hold opløsningen i skærefasen boblende, hvis det er muligt.Optimer systemets skærehastighed, frekvens og vibrationsforlydning ved at indstille dem som 12,7 millimeter i minuttet for hastigheden, 87 til 88 hertz for frekvensen og 0,8 til 1,0 millimeter for breddesvinget. Mens du skærer hjerneskiverne, skal du registrere den skivede koordinat i formatet, herunder den forreste-bageste koordinat, halvkugle og andre forhold. Overfør forsigtigt hjerneskiverne til et bæger fyldt med forvarperede ACSF ved hjælp af en tyk plastikpipette.Inkuber hjerneskiverne i bægeret ved ca. 34 grader Celsius i en time. I løbet af denne tid, udføre en 3D-scanning af de resterende hjerneblokke på skærestadiet. Nu skal du indstille en multielektrode array, eller MEA chip, på en optagelse enhed.Tilslut chippen til en peristaltisk pumpe ved hjælp af to rør. Brug det ene rør til at guide den samme ACSF ind i MEA-chippen og det andet rør til at lede ACSF ud af MEA-chippen. Fastgør to nåle, forbundet ved spidsen af de to rør, til toppen af væggen i MEA chippen.Fix deres positioner med deres tips efter den indre væg af MEA chip. Indstil ACSF's strømningshastighed til 4,1 omdr./min. Udfør MR-databehandling for at udtrække kortikale diskenheder som beskrevet i tekstprotokollen.Hvis du vil udføre MR-billedbehandling, skal du hente den gratis 3D-udsnitssoftware. Åbn MR-billederne af de udtrukne hjerner, der blev produceret ved hjælp af volumengengivelses- og editormodulerne i 3D-udsnitsværktøjet. Skift tilstand fra editor til volumengengivelse, og klik på en målknap for at få billedet af hjernen til at komme til midten af skærmen.Vælg MRT-2-hjernetilstanden, og finjuster tærsklerne ved at flytte skiftlinjen. Flyt derefter tilbage fra volumengengivelse til editor, og klik på knappen Tærskeleffekt. Påfør etiketten 41, hjernebarken.Gem derefter hjerneoverfladedataene som en STL-fil ved at ændre filformatet fra VTK til STL på formularkontrollisten. Udfør en automatisk coregistration blandt otte eller 16 billeder taget fra otte eller 16 forskellige vinkler inden for en sekvens af en scanning for at korrigere små uoverensstemmelser. Det gør du ved at klikke på Global registrering, der er inkluderet i justeringsindstillingen, og integrere billederne.Gentag scanninger fra forskellige vinkler for at opnå hele hjernens overflade. Hvis integrationen mellem billeder, der er scannet fra forskellige vinkler, ikke lykkedes, skal du klikke på Manuel justering og vælge et par faste billeder og et levende billede. Start den manuelle justering af billederne ved at vælge tre eller fire fælles punkter i forskellige billeder.Klik derefter på OK. Optimeringsalgoritmen er den iterative nærmeste punktalgoritme og omfatter ikke en ikke-lineær deformation. Lav en maske af alle de justerede billeder ved at markere alle billeder og klikke på knappen til generering af masker. Vælg derefter indstillingen lille kunstnerisk objekt for at få masken med den højeste opløsning.Gem billedet som STL Binary eller ascii-format. Nu skal du åbne MR-overfladen og flette den med 3D-scanningsoverfladen ved hjælp af overfladebehandlingssoftwaren. Udfør en manuel justeringsproces som før.Gem derefter disse medregistrerede overfladebilleder igen. Hvis det er nødvendigt, rengøres de enkelte overfladedata ved at slette små lyde omkring hjerneregionen, især i tilfælde af MR-data, og ved at udfylde eventuelle huller, især i tilfælde af 3D-scanningsdata. Endelig skal du åbne overfladedata med dataanalysesoftware som MATLAB.Generér og evaluere histogrammer af minimumsafstandene mellem de to overflader. Afstande blev evalueret mellem kortikale overflader produceret ved stripning MR volumen og overflader fremstillet af 3D-scanninger af udvundet hjerner. Tilstandsværdierne for afstandenes histogram er kun 55 mikron.Når histogrammet akkumuleres fra det punkt, hvor afstanden er lig med nul, når den akkumulerede værdi desuden op på 90 % af det samlede prøvetal ved ca. 300 mikron. Den endelige histogram af afstandene mellem to overflader viste en typisk top omkring 50 mikron. Fra et makroskopisk synspunkt svarer denne tilstandsværdi til den geometriske begrænsning, som var 100 mikron fra voxelstørrelsen af MR-præparater.Dette punkt antyder indirekte, at den overlappende algoritme mellem MR-scanning og 3D-scanning fungerede fremragende godt, og at støjniveauet for både MR-scanning og 3D-scanning blev undertrykt som en lav værdi. Denne protokol er den første til at uprise gennem scanning teknologi til bio-organisme. Teknologien blev oprindeligt brugt til rent tekniske krav.Anvendelse af denne teknologi til medicin kan besvare nye spørgsmål. Efter 3D-scanning, kan vi bruge calcium-imaging væg patch gram optagelser for at få supplerende viden i form af tidsmæssige og spacial opløsning og registreringsværdige antal celler. Den meget præcise overlappende ydeevne denne protokol giver, vil gøre en problemfri sammenhæng mellem den anatomiske rumlige skala og den nul-rumlige skala mere realistisk end før.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Electrophysiological and Morphological Characterization of Neuronal Microcircuits in Acute Brain Slices Using Paired Patch-Clamp Recordings

Elektrofysiologiske og morfologiske karakterisering af neuronal Mikrokredsløb i akut Brain Skiver Brug parrede Patch-clamp optagelser

The combination of patch clamp recordings from two (or more) synaptically coupled neurons (paired recordings) in acute brain slice preparations with ...

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Sammenknytning 3D Engineered neuronkulturer til Micro-elektrode Arrays: Et innovativt<em&gt; In vitro</em&gt; Forsøgsmodel

Currently, large-scale networks derived from dissociated neurons growing and developing in vitro on extracellular micro-transducer devices are the ...

Utilizing 3D Printing Technology to Merge MRI with Histology: A Protocol for Brain Sectioning

Udnytte 3D Printing Technology til Flet MRI med Histologi: En protokol for Brain Skæring

Magnetic resonance imaging (MRI) allows for the delineation between normal and abnormal tissue on a macroscopic scale, sampling an entire tissue volume ...

High-resolution Confocal Imaging of the Blood-brain Barrier: Imaging, 3D Reconstruction, and Quantification of Transcytosis

Høj opløsning Konfokal billeddannelse af blod - hjerne barrieren: Imaging, 3D rekonstruktion og kvantificering af Transcytosis

The blood-brain barrier (BBB) is a dynamic multicellular interface that regulates the transport of molecules between the circulation and the brain. ...

Live Images of GLUT4 Protein Trafficking in Mouse Primary Hypothalamic Neurons Using Deconvolution Microscopy

Levende billeder af GLUT4 Protein handel med musen primære hypothalamus neuroner ved hjælp af Deconvolution mikroskopi

Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a global health crisis which is characterized by insulin signaling impairment and chronic inflammation in peripheral ...

Assay Development for High Content Quantification of Sod1 Mutant Protein Aggregate Formation in Living Cells

Assay udvikling for høje indhold kvantificering af Sod1 Mutant Protein samlede dannelse i levende celler

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease that can be caused by inherited mutations in the gene encoding copper-zinc ...

A Novel In Vitro Model of Blast Traumatic Brain Injury

A Novel In Vitro Model of Blast Traumatic Brain Injury

En roman In Vitro Model af Blast traumatisk hjerneskade

Traumatic brain injury is a leading cause of death and disability in military and civilian populations. Blast traumatic brain injury results from the ...

High-Resolution 3D Imaging of Rabies Virus Infection in Solvent-Cleared Brain Tissue

3D-billeddannelse i høj opløsning af rabies virus infektion i et solvent renset hjernevæv

The visualization of infection processes in tissues and organs by immunolabeling is a key method in modern infection biology. The ability to observe and ...

A Method for 3D Reconstruction and Virtual Reality Analysis of Glial and Neuronal Cells

En metode til 3D rekonstruktion og Virtual Reality analyse af glial og neuronal celler

Serial sectioning and subsequent high-resolution imaging of biological tissue using electron microscopy (EM) allow for the segmentation and reconstruction ...

Using Near-infrared Fluorescence and High-resolution Scanning to Measure Protein Expression in the Rodent Brain

Brug af Near-Infrared fluorescens og høj opløsning scanning til at måle protein Expression i gnaver hjernen

Neuroscience is the study of how cells in the brain mediate various functions. Measuring protein expression in neurons and glia is critical for the study ...