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 takknemlig for støtte fra alle de ansatte i medisinsk informasjon engineering kurs i Graduate School of Medicine og fakultet for medisin, og ønsker å takke Prof Tetsuya Takakuwa, Prof Huzioka Sawamoto, og Doris Zakian for deres hjelpsomme Kommentarer. Denne studien ble støttet av en Grant-in-Aid for utfordrende undersøkende forskning og av ledende initiativ for Excellent unge forskere (LEADER) program til M.S. fra MEXT (departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi). Mr eksperimenter i dette arbeidet ble utført i divisjonen for små dyr MRI, Medical Research Support Center, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Japan.

Alle eksperimentelle prosedyrer som er beskrevet her er godkjent av Kyoto University Animal Care Committee.
1. dyr (dag 1)
<ol><li>Forbered kvinnelige C57BL/6J-mus (n = 6, i alderen 3 − 5 uker). Merk: Denne protokollen gjelder for alle gnagerarter.</li>
</ol>2. MRI-innstillinger (dag 1)
<ol><li>Sett musen i en akryl anestesi boks plassert på en varmematte justert til 37 ° c ved hjelp av en varmematte kontrolleren.</li>
	<li>Bedøve m...

<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 utviklet en ny protokoll kalt 3D-NEO-protokollen til å bygge bro over makroskopisk og mikroskopiske romlige vekter ved å overlappe to hjerne flater mer nøyaktig enn før. Opprinnelig var det to utfordringer i å skape denne protokollen som gjorde det mulig nøyaktig overlapping av to hjernen overflaten bilder og opptak sunne neuronal aktiviteter fra levende organismer. Først var det nødvendig å effektivt tørke kutte løsning rundt utdraget hjernen etter utpakking det fra skallen uten å skade hjernen organisme ...

Uniformt multiscale arkitekturer på ulike fysiske og biologiske organisasjoner er vanligvis funnet1,2. Hjernen er også en svært uniformt og multiscale nettverk organisasjon3,4. Ulike kognitive funksjoner er kodet i slike nettverk organisasjoner, holde timelige endringer av elektriske pigg mønstre av neuronal populasjoner i submillisecond timelige oppløsninger. Historisk, de komplekse nettverkene blant neurons ble strukturelt observert i detalj ved hjelp av farging teknikker av Santiago Ramón y Cajal fra over 150 år siden5. For å observere gruppe oppførsel av aktive neurons, har forskere utviklet ulike opptaks teknologier6,7,8, og den nylige betydelige utviklingen av slike teknologier har gjort oss i stand til å spille inn elektriske aktiviteter fra store antall neurons samtidig. Videre, fra slike funksjonelle aktiviteter, har forskere lyktes å rekonstruere nettverk av årsakssammenheng interaksjoner blant store antall neurons og har erklært den topologisk arkitekturen av deres komplekse interaksjoner ' microconnectome '9 . Makroskopisk observasjoner av hjernen også tillate for om en hel hjerne som en nettverksorganisasjon fordi mange hjernen regioner er forbundet med flere fiber-bunter. Innebygging av microconnectomes i den globale hjernen kartet har fortsatt klare begrensninger innen dagens teknologiske fremskritt, og det er derfor denne embedding protokollen er så viktig. Det er imidlertid mange utfordringer for utviklingen av innebygging protokollen. For eksempel, for å observere aktiviteter for å leve lokale neuronal kretser i rent isolerte hjerneområder, må hjerne skiver produseres for in vitro innspillinger. I tillegg er opptak fra hjerne skiver for in vitro-innspillinger fortsatt et viktig valg for minst to grunner. Først er det fortsatt ikke lett å observere aktiviteter av mange levende individuelle neurons samtidig fra hjernen regioner dypere enn ~ 1,5 mm og i høy Temporal oppløsning (< 1 MS). For det andre, når vi håper å vite den interne arkitekturen i en lokal neuronal krets, må vi stoppe alle innganger som kommer fra eksterne hjernen regioner for å eliminere forvirrende faktorer. For å identifisere retninger og posisjoner av produserte hjerne skiver, vil det være ytterligere nødvendig å integrere den romlige plasseringen av disse produserte hjerne skiver ved hjelp av koordinater. Det er imidlertid noen systematiske og pålitelige måter å lage hjerne skiver på en organisert måte10,11. Her introduseres en ny coregistration-protokoll ved hjelp av 3D-skannings teknologi for neuroscientific forskning for å gi en integrerende protokoll. Denne protokollen fungerer å koordinere mikro-og macroscales og legge multielectrode array (Mea) mikrodata12,13 og farging data på en makroskopisk MRI plass gjennom 3D Scan overflater av utpakkede hjerner, samt av invasivt registrert hjerner. Overraskende, dette viste en avstand feil på bare ~ 50 μm som modus verdien av histogrammet. Som følge av dette var modus verdiene for minimums avstander mellom to overflater mellom MRI-overflaten og den skannede 3D-overflaten nesten 50 μm for alle de seks musene, som er et passende tall når man ser etter felles blant enkeltpersoner. Den typiske skive bredde hadde en innspilt Spike aktivitet på rundt 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 et multiscale system, har både makroskopisk elektriske signaler, globalt strømmer langs tykt hvitt-materie fiber bunter, og mikroskopiske neuronal pigger, spre langs axons og dendrites. Begge skalaer utfyller ulike aspekter av menneskelig kognitive og atferdsmessige funksjoner. På makroskopisk nivå har MRI vært den nåværende standard bildeteknologien, der den minste romlige oppløsningen, Voxel størrelsen, er 0,1 – 1 mm3. På mikroskopisk nivå var også tidligere fysiologiske studier klar over uniformt neuronal arkitekturer i slike voxels. Denne studien utvikler en effektiv måte å nøyaktig legge inn mikroskopiske data i et makroskopisk kart ved å grensesnitt biologisk vitenskapelig forskning med teknologiske fremskritt i 3D skanning teknologi. Siden 3D skanning teknologien har for største delen blitt anvendt for ingeniørvitenskap og industriell tegning til nå, det er en repurposed for det første gang å legge ned i microconnectomes inn i hele hjerne stund bevarer naturlig skyter inne lever hjerneceller. For å oppnå dette formålet, først, konstruerte vi en skanning protokoll for å få nøyaktige 3D-bilder fra levende bio-organismer iboende utfordrende å image på grunn av fuktige og reflekterende overflater. For det andre har vi trent til å holde hastigheten for å hindre nedbrytning av levende hjernevev, som er en nøkkelfaktor i å beholde bedre forhold og opptak mer naturlig neuronal pigger fra aktive neurons i hjernevevet. To kortikale overflate bilder, uavhengig Hentet fra to forskjellige Imaging moduler, nemlig MRI og 3D skanner overflaten bilder, overraskende viser en avstand feil på bare 50 μm som modus verdien av histogrammet. Denne nøyaktigheten er sammenlignbar i skala til mikroskopisk oppløsning av intercellulære avstander; Det er også stabilt blant forskjellige individuelle mus. Denne nye protokollen, 3D romanen embedding overlappende (3D-NEO) protokoll, broer makroskopisk og mikroskopiske nivåer avledet av denne integrerende protokollen og akselererer nye vitenskapelige funn for å studere omfattende tilkobling arkitekturer (dvs. microconnectome).

Vi evaluerte avstander mellom kortikale overflater, produsert av stripping MRI-volum, og overflater Hentet fra 3D-skanninger av utpakkede hjerner. Modus verdiene til histogrammet for avstandene er bare 55 μm (figur 3a). I tillegg når du samler histogrammet fra punktet der avstanden lik null, den akkumulerte verdien når 90% av totalt antall eksempel tall på ~ 300 μm (figur 3b). Det siste histogrammet av avstandene mellom to f...

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 skanning teknologien bygge bro microcircuits og Macroscale hjerne profilen inne 3D romanen embedding overlappende protokollen

Denne artikkelen introduserer en eksperimentell protokoll ved hjelp av 3D-skanning teknologi som bygger bro over to romlige skalaer: den makroskopisk romlige skalaen av hele hjernen anatomi fotografert av MRI på > 100 μm og mikroskopisk romlig skala av neuronal distribusjoner ved hjelp av immunhistokjemi farging og en multielectrode 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 protokollen er den første til å introdusere 3D-skanneteknologi i det anatomiske, spesielt nevroanatomiske forskningsfeltet, og har oppnådd svært nøyaktig overlappende ytelse. 3D-nevroinnbyggingsoverlappingen, eller 3D-nevroprotokollen, bygger inn sterile mikroskalasoktiske kontakter i makroskala hjernebilder, og bygger bro over disse forskjellige romlige skalaene sømløst. Vi må også bruke 3D neuro protokollen til menneskelige MRI og post-mortem hjerne.Overlappingen gjør det mulig for oss å identifisere kjente MR-kontrastmønstre knyttet til sykdom. 3D-skannesystemer er følsomme for vann rundt den ekstraherte bioorganismen, så det er viktig å tørke vannet veldig nøye. Videre må prosedyren utføres så raskt som mulig.Begynn denne prosedyren med utarbeidelse av en mus, samt MR-oppkjøp og utstyrspreparater som beskrevet i tekstprotokollen. På dag to, kutt hodebunnen av en tidligere eutanisert mus langs sagittal sutur ved hjelp av kirurgisk saks. Bruk kirurgisk saks for å kutte skallen i diagonale retninger fra lambdapunktet til et punkt litt foran bregma.Deretter skreller forsiktig av skallen fra hjernen ved hjelp av buede pinsett. Løft hjernen med en slikkepott og overfør den til en petriskål med iskald skjæreløsning. Ved hjelp av en ekstern gassbombe med en kontrollert roterende pumpehastighet, strømmer luft som inneholder 95% oksygen og 5% karbondioksid for å generere små bobler i den iskalde skjæreløsningen.Etter ett til to minutter, legg hjernen på en mikrofiberklut hvis overflate er litt dekket av en mel sil. Tørk forsiktig av væsken fra hjerneoverflaten ved hjelp av mikrofiberkluten. Sett hjernen, med sitt dorsale aspekt opp, på prøvestativet.Plasser deretter prøvestativet midt på den automatiske platespilleren. Gjør rommet mørkere under 3D-skanningen og utfør en 3D-skanning på platespilleren. Hvis du vil teste om 3D-skanningen fungerer bra, klikker du på 3D Scan ved å velge vinkelen mellom to bilder som 22,5, startvinkelen som null og den endelige vinkelen som 360.Flytt hjernen til en petriskål og boble hjernen i skjæreløsningen i ca 10 sekunder. Skjær hjernen i to blokker midt i koronarplanet, ved hjelp av en skalpell. Deretter flytter du de to hjerneblokkene forsiktig til den flate overflaten ved hjelp av en kirurgisk slikkepott.Fest hjerneblokkene i hjerneblokkbasen ved hjelp av øyeblikkelig lim. Tørk væsken mykt og forsiktig fra hjerneoverflaten innen ett til to minutter, ved hjelp av mikrofiberkluten. Deretter utfører du en 3D-skanning på nytt.Fest et blad til bladholderen på vibratomen. Fest den svarte tapen som dekker midten av hjerneblokkbasen til midten av skjærestadiet for en vibratom. Hell skjæreoppløsningen i skjæretrinnet og sett skjæretrinnet på vibratomen.Juster skjærehastigheten og amplituden. Lag to til fem koronale skiver på 300 mikrometer tykke fra de to hjerneblokkene. Hold løsningen i skjærefasen boblende hvis mulig.Optimaliser skjærehastigheten, frekvensen og vibrasjonsalituden til systemet ved å angi dem som 12,7 millimeter per minutt for hastigheten, 87 til 88 hertz for frekvensen og 0,8 til 1,0 millimeter for svingbredden. Mens du kutter hjerneskiver, registrerer du den skivede koordinaten i formatet, inkludert den fremre-bakre koordinaten, halvkulen og andre forhold. Overfør forsiktig hjerneskivene til et beger fylt med forhåndsoppvarmet ACSF ved hjelp av en tykk plastpipette.Inkuber hjerneskivene i begeret ved ca. 34 grader Celsius i en time. I løpet av denne tiden, utføre en 3D-skanning av de gjenværende hjerneblokker på kutte scenen. Nå, sett en multielectrode array, eller MEA chip, på en opptaksenhet.Koble brikken til en peristaltisk pumpe ved hjelp av to rør. Bruk ett rør til å lede samme ACSF inn i MEA-brikken og det andre røret for å lede ACSF ut av MEA-brikken. Fest to nåler, koblet på tuppen av de to rørene, til toppen av veggen av MEA-brikken.Fest sine posisjoner med sine tips etter den indre veggen av MEA-brikken. Angi strømningshastigheten for ACSF til 4,1 RPM. Utfør MR-databehandling for å trekke ut kortikale volumer som beskrevet i tekstprotokollen.For å utføre MR-bildebehandling, last ned 3D Slicer gratis programvare. Åpne MR-bildene av de ekstraherte hjernene som ble produsert ved hjelp av volumgjengivelses- og redigeringsmodulene i 3D Slicer. Endre modusen fra redigeringsprogram til volumgjengivelse, og klikk på en målknapp for å få bildet av hjernen til å komme til midten av skjermen.Velg MRT-2 hjernemodus og tune terskler ved å flytte skiftlinjen. Deretter går du tilbake fra volumgjengivelse til redigeringsprogram og klikker terskeleffektknappen. Påfør etiketten 41, hjernebarken.Deretter lagrer du hjerneoverflatedataene som en STL-fil ved å endre filformatet fra VTK til STL på skjemasjekklisten. Utfør en automatisk kjernegistrasjon blant åtte eller 16 bilder tatt fra åtte eller 16 forskjellige vinkler i en sekvens av en skanning for å korrigere små uoverensstemmelser. Hvis du vil gjøre dette, klikker du Global registrering inkludert i justeringsalternativet og integrerer bildene.Gjenta skanninger fra forskjellige vinkler for å oppnå hele hjerneoverflaten. Hvis integreringen mellom bilder som ble skannet fra forskjellige vinkler ikke var vellykket, klikker du Manuell justering og velger et par faste bilder og et bevegelig bilde. Start den manuelle justeringen av bildene ved å velge tre eller fire vanlige punkter i forskjellige bilder.Klikk deretter OK. Optimaliseringsalgoritmen er den iterative nærmeste punktalgoritmen og inkluderer ikke en ikke-lineær deformasjon. Lag et nett av alle de justerte bildene ved å velge alle bildene og klikke på mesh generasjon-knappen. Velg deretter alternativet, et lite kunstnerisk objekt, for å få nettet med høyest oppløsning.Lagre bildet som STL Binært eller et ASCII-format. Nå åpner du MR-overflaten og slår den sammen med 3D-skanneoverflaten ved hjelp av overflatebehandlingsprogramvaren. Utfør en manuell justeringsprosess som før.Deretter lagrer du disse medregistrerte overflatebildene på nytt. Rengjør om nødvendig de enkelte overflatedataene ved å slette små lyder rundt hjerneområdet, spesielt når det gjelder MR-data, og ved å fylle hull, spesielt når det gjelder 3D-skannedata. Til slutt åpner du overflatedataene med dataanalyseprogramvare som MATLAB.Generer og evaluer histogrammene for minimumsavstandene mellom de to overflatene. Avstander ble evaluert mellom kortikale overflater produsert ved å strippe MR-volum og overflater hentet fra 3D-skanninger av ekstraherte hjerner. Modusverdiene for histogrammet av avstandene er bare 55 mikrometer.I tillegg, når du samler histogrammet fra det punktet hvor avstanden er lik null, når den akkumulerte verdien 90% av totale utvalgstall på ca. 300 mikron. Det siste histogrammet av avstandene mellom to overflater viste en typisk topp rundt 50 mikrometer. Fra et makroskopisk synspunkt tilsvarer denne modusverdien den geometriske begrensningen, som var 100 mikron fra voxelstørrelsen på MRI-er.Dette punktet antyder indirekte at den overlappende algoritmen mellom MR og 3D-skanning fungerte utmerket bra, og at støynivåene til både MR og 3D-skanningen ble undertrykt som en lav verdi. Denne protokollen er den første til å oppstår gjennom skanneteknologien til bioorganismen. Teknologien ble opprinnelig benyttet for rent tekniske krav.Bruk av denne teknologien på medisin kan svare på nye spørsmål. Etter 3D-skanning kan vi bruke kalsium-imaging vegg patch gram opptak for å få komplementær kunnskap i form av temporal og spacial oppløsning og registrerte antall celler. Den svært nøyaktige overlappende ytelsen denne protokollen gir, vil gjøre en sømløs sammenheng mellom den anatomiske romlige skalaen og den null-romlige skalaen mer realistisk enn før.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Elektro og Morfologisk Karakterisering av Nevronale kretser i Akutt Brain Slices hjelp Grupperte patch-clamp Recordings

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

Grensesnitt 3D Engineered Nevronale kulturer til Micro-elektrode Arrays Et nyskapende<em&gt; In Vitro</em&gt; Experimental Model

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

Utnytte 3D utskriftsteknologi til Merge MR med histologi: En protokoll for Brain Seksjonering

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

Høyoppløselig AC Confocal avbildning av blod - hjerne barrieren: bildebehandling, 3D rekonstruksjon og kvantifisering av 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

Live bilder av GLUT4 Protein menneskehandel musen primære hypothalamus nevroner bruker 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

Analysen utvikling for høy innhold kvantifisering av Sod1 Mutant Protein samlet formasjon 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

Romanen In Vitro modell for 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

Høy-resolution 3D tenkelig av rabiat virus infeksjon inne løsemiddel-klarnet hjerne tissue

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 for 3D rekonstruksjon og Virtual Reality analyse av gliacellene og neuronal Cells

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

Bruke nær-infrarød fluorescens og høyoppløselig skanning å måle protein uttrykk i gnagere Brain

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 ...