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

MS är tacksam för stöd från alla anställda i medicinsk information Engineering kurs i forskarskolan för medicin och medicinska fakulteten, och vill tacka prof. Tetsuya Takakuwa, Prof. Nobukatsu Sawamoto, och Doris Zakian för deras hjälpsamma Kommentarer. Denna studie stöddes av ett bidrag-in-Aid för utmanande undersökande forskning och av det ledande initiativet för utmärkt unga forskare (LEADER) program till MS från MEXT (ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik). MRI-experimenten i detta arbete utfördes i avdelningen för små djur MRI, Medical Research Support Center, forskarskolan i medicin, Kyoto University, Japan.

Alla experimentella procedurer som beskrivs här har godkänts av Kyoto-universitetets djur vårds kommitté.
1. djur (dag 1)
<ol><li>Förbered kvinnliga C57BL/6J möss (n = 6, åldrad 3 − 5 veckor). Anmärkning: Detta protokoll är tillämpligt på alla gnagare arter.</li>
</ol>2. MRI-inställningar (dag 1)
<ol><li>Placera musen i en akryl anestesi låda placerad på en värmare matta justerad till 37 ° c med en värmare matta Contro...

<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 utvecklade ett nytt protokoll som kallas 3D-NEO-protokollet för att överbrygga makroskopiska och mikroskopisk rumsliga skalor genom att överlappa två hjärn ytor mer exakt än tidigare. Ursprungligen fanns det två utmaningar i att skapa detta protokoll som gjorde det möjligt att exakt överlappning av två hjärnan yta bilder och inspelning friska neuronala aktiviteter från levande organismer. Först var det nödvändigt att effektivt torka skär lösning som omger den extraherade hjärnan efter extrahering av ...

Icke-enhetliga flerskaliga arkitekturer på olika fysiska och biologiska organisationer finns vanligtvis1,2. Hjärnan är också en mycket NonUniform och Multiscale knyter kontakt organisation3,4. Olika kognitiva funktioner kodas i sådana nätverk organisationer, hålla temporala förändringar av elektriska Spike mönster av neuronala populationer i submillisekund temporala resolutioner. Historiskt sett, de komplexa nätverken bland nervceller var strukturellt observerats i detalj med hjälp av färgning tekniker av Santiago Ramón y Cajal från över 150 år sedan5. För att observera grupp beteenden av aktiva nervceller, forskare har utvecklat olika inspelningsteknik6,7,8, och den senaste tidens betydande utvecklingen av sådan teknik har gjort det möjligt för oss att spela in elektriska aktiviteter från ett enormt antal nervceller samtidigt. Dessutom, från sådan funktionell verksamhet, har forskarna lyckats rekonstruera nätverk av kausala interaktioner mellan ett stort antal nervceller och har förklarat den topologiska arkitekturen i deras komplexa interaktioner "microconnectome"9 . Makroskopiska observationer av hjärnan också möjliggöra om en hel hjärna som en nätverksorganisation eftersom många hjärnregioner är anslutna med flera fiber-buntar. Inbäddning av microconnectomes i den globala hjärn kartan har fortfarande tydliga begränsningar inom nuvarande teknologiska framsteg, varför detta inbäddnings protokoll är så viktigt. Det finns dock många utmaningar för utvecklingen av inbäddnings protokollet. Till exempel för att observera aktiviteter av levande lokala neuronala kretsar i rent isolerade hjärnregioner, hjärn skivor måste produceras för in vitro-inspelningar. Dessutom är inspelningar från hjärn skivor för in vitro-inspelningar fortfarande ett viktigt val av minst två anledningar. För det första är det fortfarande inte lätt att observera aktiviteter för många levande enskilda nervceller samtidigt från hjärnregioner djupare än ~ 1,5 mm och i hög temporala upplösning (< 1 MS). För det andra, när vi hoppas att veta den interna arkitekturen i en lokal neuronala krets, måste vi stoppa alla ingångar som kommer från externa hjärnregioner för att eliminera confounding faktorer. För att identifiera riktningar och positioner av producerade hjärn skivor, kommer det att vara ytterligare nödvändigt att integrera de rumsliga positionerna för dessa producerade hjärn skivor med hjälp av koordinater. Det finns dock några systematiska och pålitliga sätt att göra hjärn skivor på ett organiserat sätt10,11. Här introduceras ett nytt coregistration Protocol, med hjälp av 3D-scanning teknik för neurovetenskaplig forskning för att ge ett integrativt protokoll. Detta protokoll fungerar för att samordna mikro-och macroscales och bädda in multielektrod array (MEA) mikrodata12,13 och färgning data på ett makroskopiskt MRI utrymme genom 3D Scan ytor av extraherade hjärnor, samt av noninvasivt inspelade hjärnor. Överraskande, detta visade ett avstånds fel på endast ~ 50 μm som läge värdet av histogrammet. Det innebär att läges värden för minsta avstånd mellan två ytor mellan MRI-ytan och den skannade 3D-ytan var nästan 50 μm för alla sex möss, vilket är ett lämpligt antal vid kontroll av gemensamhet bland individer. Den typiska segment bredden hade en inspelad spik aktivitet på cirka 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 mänskliga hjärnan, som är ett flerskalig system, har både makroskopiska elektriska signaler, globalt flyter längs tjocka vita partiklar fiber buntar, och mikroskopiska neuronala spikar, förökningsmaterial längs axoner och dendriter. Båda skalorna kompletterar olika aspekter av människans kognitiva och beteendemässiga funktioner. Vid makroskopisk nivå har MRI varit den nuvarande standarden Imaging Technology, där den minsta rumsliga upplösningen, Voxel storlek, är 0,1-1 mm3. Även på mikroskopisk nivå, tidigare fysiologiska studier var medvetna om icke-enhetliga neuronala arkitekturer inom sådana voxels. Denna studie utvecklar ett kraftfullt sätt att korrekt bädda in mikroskopiska data i en makroskopisk karta genom att gränssnitt biologisk vetenskaplig forskning med tekniska framsteg i 3D-scanning teknik. Eftersom 3D-scanning teknik har mestadels använts för ingenjörskonst och industridesign fram till nu, det är återanvänt för första gången att bädda in microconnectomes i hela hjärnan och samtidigt bevara naturliga tillspikning i levande hjärnceller. För att uppnå detta syfte, först, konstruerade vi ett skannings protokoll för att få exakt 3D-bilder från levande bio-organismer till sin natur utmanande att bilden på grund av fuktiga och reflekterande ytor. För det andra, vi utbildade för att hålla hastigheten för att förhindra nedbrytning av levande hjärnvävnad, vilket är en nyckelfaktor för att behålla bättre villkor och registrera mer naturliga neuronala spikar från aktiva nervceller i hjärnvävnaden. Två kortikala yta bilder, oberoende ur två olika Imaging moduler, nämligen MRI och 3D-skanner yta bilder, överraskande Visa ett avstånds fel på endast 50 μm som läge värdet av histogrammet. Denna noggrannhet är jämförbar i skala till den mikroskopiska upplösningen av intercellulära avstånd; Dessutom är det stabilt bland olika enskilda möss. Detta nya protokoll, 3D-romanen bädda överlappande (3D-NEO) protokoll, broar makroskopiska och mikroskopisk nivåer som härrör från detta integrerande protokoll och påskyndar nya vetenskapliga rön att studera omfattande anslutning arkitekturer (dvs. mikroconnectome).

Vi utvärderade avstånd mellan kortikala ytor, producerad av strippning MRI volym, och ytor som erhållits från 3D-skanningar av extraherade hjärnor. Funktionsläget värderar av histogrammet av distanserar är endast 55 μm (figurera 3a). Dessutom, när du ackumulerar histogrammet från den punkt där avståndet är lika med noll, uppnår det ackumulerade värdet 90% av de totala prov numren på ~ 300 μm (figur 3b). Final 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 teknik överbrygga mikrokretsar och Macroscale hjärn bilder i 3D roman bädda överlappande protokoll

Denna artikel introducerar ett experimentellt protokoll med 3D-scanning teknik överbrygga två rumsliga skalor: den makroskopiska rumsliga skalan av hela hjärnans anatomi avbildas av MRT vid > 100 μm och den mikroskopiska rumsliga skalan av neuronala distributioner med hjälp av immunohistokemi färgning och en multielektrod array system och andra metoder (~ 10 μm).

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

Detta protokoll är det första som introducerar 3D-scanningteknik i det anatomiska, specifikt neuroanatomiska forskningsfältet, och har uppnått mycket exakt överlappande prestanda. 3D-neuro inbäddning överlappning, eller 3D-neuro protokoll, bäddar mikroskala sterila uttag i makroskala hjärnan bilder, och broar dessa olika rumsliga skalor sömlöst. Vi måste också tillämpa 3D-neuroprotokollet på mänskliga MRI och post-mortem hjärnan.De överlappande gör det möjligt för oss att identifiera kända MRI kontrastmönster som rör sjukdom. 3D-skanningssystem är känsliga för vatten som omger den utvunna bioorganismen, så det är viktigt att torka av vattnet mycket noggrant. Förfarandet måste dessutom utföras så snabbt som möjligt.Påbörja detta förfarande med beredning av en mus, samt MRI-förvärv och utrustningsförberedelser enligt beskrivningen i textprotokollet. På dag två, skär hårbotten av en tidigare avlivas mus längs sagittal sutur med hjälp av kirurgiska sax. Använd kirurgisk sax för att skära skallen i diagonala riktningar från lambda punkten till en punkt lite framför bregma.Sedan, försiktigt skala av skallen från hjärnan med hjälp av böjda pincett. Lyft hjärnan med en spatel och överför den till en petriskål med iskall skärlösning. Med hjälp av en extern gasbomb med en kontrollerad roterande pumphastighet, flödesluft som innehåller 95%syre och 5%-koldioxid för att generera små bubblor i den iskalla skärlösningen.Efter en till två minuter, lägg hjärnan på en mikrofiberduk vars yta är något täckt av en mjölsikt. Torka försiktigt vätskan från hjärnytan med hjälp av mikrofiberduken. Sätt hjärnan, med sin dorsala aspekt upp, på provstativ.Placera sedan provstativet i mitten av den automatiska skivspelaren. Gör rummet mörkare under 3D-skanningen och gör en 3D-skanning på skivspelaren. För att testa om 3D-skanningen fungerar bra klickar du på 3D Scan genom att välja vinkeln mellan två skott som 22,5, startvinkeln som noll och den slutliga vinkeln som 360.Flytta hjärnan till en petriskål och bubbla hjärnan i skärlösningen i cirka 10 sekunder. Skär hjärnan i två kvarter i mitten av koronaplanet, med hjälp av en skalpell. Flytta sedan de två hjärnblocken försiktigt till den plana ytan med hjälp av en kirurgisk spatel.Fäst hjärnblocken i hjärnblockbasen med hjälp av ögonblickslim. Mjukt och noggrant torka av vätskan från hjärnytan inom en till två minuter, med hjälp av mikrofiberduken. Sedan, utföra en 3D-skanning igen.Sätt fast ett blad på vibratomens bladhållare. Fäst den svarta tejpen som täcker mitten av hjärnblockbasen till mitten av skärstadiet för en vibratom. Häll skärlösning i skärsteget och ställ in skärsteget på vibratomen.Justera skärhastigheten och amplituden. Gör två till fem koronaskivor på 300 mikrometer tjocka från de två hjärnblocken. Håll lösningen i skärsteget bubblar om möjligt.Optimera systemets skärhastighet, frekvens och vibrationsamplitud genom att ställa in dem som 12,7 millimeter per minut för hastigheten, 87 till 88 hertz för frekvensen och 0,8 till 1,0 millimeter för svängbredden. Medan du skär hjärnan skivor, spela in skivad koordinat i formatet, inklusive den främre-bakre koordinat, halvklotet, och andra villkor. Överför försiktigt hjärnskivorna till en bägare fylld med förvjuten ACSF med hjälp av en tjock plastpipett.Inkubera hjärnan skivor i bägaren på cirka 34 grader Celsius i en timme. Under denna tid, utför en 3D-skanning av de återstående hjärnblocken på skärstadiet. Nu, ställ in en multielektrod array, eller MEA chip, på en inspelningsenhet.Anslut chipet till en peristaltisk pump med hjälp av två rör. Använd ett rör för att styra samma ACSF in i MEA-chipet och det andra röret för att styra ACSF ut ur MEA-chipet. Fäst två nålar, ansluten vid spetsarna på de två rören, till toppen av väggen i MEA-chipet.Fixa deras positioner med deras tips efter den inre väggen av MEA chip. Ställ in flödeshastigheten för ACSF till 4,1 RPM. Utför MR-databearbetning för att extrahera när volymer enligt beskrivningen i textprotokollet.Om du vill utföra MRI-bildbehandling hämtar du 3D Slicer-programvaran. Öppna MR-bilderna av de extraherade hjärnorna som producerades med hjälp av volymåtergivnings- och redigerarmodulerna i 3D-utsnittet. Ändra läget från redigeraren till volymåtergivningen och klicka på en målknapp för att få bilden av hjärnan att komma till mitten av skärmen.Välj MRT-2-hjärnläget och ställ in tröskelvärdena genom att flytta skiftfältet. Flytta sedan tillbaka från volymåtergivning till redigerare och klicka på knappen för tröskeleffekt. Applicera etiketten 41, hjärnbarken.Spara sedan hjärnytans data som en STL-fil genom att ändra filformatet från VTK till STL på formulärchecklistan. Utför en automatisk coregistration bland åtta eller 16 bilder tagna från åtta eller 16 olika vinklar inom en sekvens av en skanning för att korrigera små missmatchningar. Om du vill göra det klickar du på Global registrering som ingår i justeringsalternativet och integrerar bilderna.Upprepa skanningar från olika vinklar för att få hela hjärnytan. Om integrationen bland bilder som skannats från olika vinklar inte lyckades, klicka på Manuell justering och välj ett par fast bild och en rörlig bild. Starta den manuella justeringen av bilderna genom att välja tre eller fyra gemensamma punkter i olika bilder.Klicka sedan på OK. Optimeringsalgoritmen är den iterativa närmast-punkt-algoritmen och inkluderar inte en icke-linjär deformation. Gör ett nät av alla justerade bilder genom att markera alla bilder och klicka på knappen för nätgenerering. Välj sedan alternativet, litet konstnärligt objekt, för att få nätet med högsta upplösning.Spara bilden som STL Binary eller ett ASCII-format. Nu, öppna MR-ytan och slå ihop den med 3D-skanningsytan med hjälp av ytan bearbetningsprogram. Utför en manuell justeringsprocess som tidigare.Sedan sparar du dessa koregisterade ytbilder igen. Om det behövs, rengör de enskilda ytdata genom att radera små ljud som omger hjärnregionen, särskilt när det gäller MR-data, och genom att fylla eventuella hål, särskilt när det gäller 3D-skanningsdata. Öppna slutligen ytdatan med dataanalysprogramvara som MATLAB.Generera och utvärdera histogrammen för minimiavstånden mellan de två ytorna. Avstånd utvärderades mellan när ytor som produceras genom strippning MRI volym och ytor som erhållits från 3D-skanningar av extraherade hjärnor. Lägesvärdena för histogrammet av avstånden är bara 55 mikrometer.Dessutom, när ackumulera histogrammet från den punkt där avståndet är lika med noll, når det ackumulerade värdet 90%av totala provnummer vid cirka 300 mikrometer. Det slutliga histogrammet av avstånden mellan två ytor visade en typisk topp runt 50 mikrometer. Ur makroskopisk synvinkel motsvarar detta lägesvärde den geometriska begränsningen, som var 100 mikrometer från VOXEL-storleken på MR.Denna punkt föreslår indirekt att den överlappande algoritmen mellan MRI och 3D-skanning fungerade utmärkt bra, och att bullernivåerna för både MRI och 3D-skanningen undertrycktes som ett lågt värde. Detta protokoll är det första att uprise genom skanningsteknik till bio-organism. Tekniken användes ursprungligen för rent tekniska krav.Tillämpa denna teknik till medicin kan svara på nya frågor. Efter 3D-scanning, kan vi använda kalcium-imaging vägg patch gram inspelningar för att få kompletterande kunskap i form av tidsmässiga och spacial upplösning och inspelningsbara antalet celler. Den mycket exakta överlappande prestanda detta protokoll ger kommer att göra en sömlös association mellan den anatomiska rumsliga skalan och den nollsasalsala skalan mer realistisk än tidigare.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Elektro och morfologisk karakterisering av neurala Microcircuits i akut hjärnan skivor Använda Kopplade Patch-Clamp Inspelningar

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

Gränssnitt 3D Engineered neuronala kulturer Micro-Elektrod arrayer: Ett innovativt<em&gt; In Vitro</em&gt; Experimentellt

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

Med hjälp av 3D Printing Technology till Merge MRI med histologi: Ett protokoll för Brain sektionering

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

Högupplösta Confocal avbildning av den Blood - brain barriären: bildbehandling, 3D rekonstruktion och kvantifiering av transcytos

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

Levande bilder av GLUT4 Protein människohandel mus primära hypotalamus nervceller använder 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 utveckling för hög innehåll kvantifiering av Sod1 Mutant Protein sammanlagda bildandet i levande 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 modell av Blast traumatisk hjärnskada

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

Högupplöst 3D-avbildning av rabies virus infektion i Lösningsmedelsrensade hjärnvävnad

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 metod för 3D-rekonstruktion och virtuell verklighet analys av Glial och neuronala 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

Använda Near-infraröd Fluorescence och hög upplöst skanning för att mäta protein uttryck i gnagare 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 ...