معلومة

طلب مرجعي: القشرة المخية الحديثة تنشئ هياكل ذات 11 بعدًا

طلب مرجعي: القشرة المخية الحديثة تنشئ هياكل ذات 11 بعدًا


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد صادفت العديد من مقالات علوم البوب ​​مثل هذا المقال الذي يصف بطريقة غامضة طريقة لتحليل أنسجة المخ التي تتضمن الطوبولوجيا الجبرية والتراكيب ذات 11 بُعدًا. يبدو أنهم جميعًا يستشهدون ببعضهم البعض. كانت كاثرين هيس واحدة من الباحثين المشاركين. لقد بحثت في الويب ، ومكتبة كلية مجتمع ، ومكتبة جامعة كاليفورنيا ، ولم أتمكن من العثور على الورقة الأصلية. هل يعرف أي شخص أين يمكنني معرفة المزيد عن أساليبهم؟


يحيط الجدل بآفاق جديدة في الغالب لأنه ليس لديهم قيود على ما ينشرونه بغض النظر عن المنهجية أو الأخلاق. كما قاموا بطرد مجموعة من محرريهم لمحاولتهم فرض بعض النزاهة العلمية. إن حقيقة ملكية "المجلة" من قبل المؤلفين الأوائل الذين نشروا فيها علامة سيئة أخرى. يمكنك أن تفترض بأمان أن أي شيء تنشره مؤسسة Frontiers هو هراء.


لقد وجدت العمل أخيرًا. كان في مصادر مصادر المقال التي أعطيتها كمثال.


تصورات تفاعلية ثلاثية الأبعاد

تعد Interactive 3D طريقة مثبتة لزيادة الفهم والسرعة في علم التشريح والمرض والعلاج.

إنشاء محتوى قابل للتحجيم وإدارته

قم بإنشاء وإدارة تصورات تفاعلية لاستخدامها عبر جميع قنواتك الرقمية ، بجزء بسيط من التكلفة التقليدية.

مرئيات عالية التخصيص

قم بإنشاء تصورات مخصصة باستخدام Human Studio ، أو اعمل مع فريق الخدمات المحترف لدينا لتصور حالات وعلاجات محددة.

سهولة الاندماج في أي منصة رقمية

قم بتضمين تصورات تفاعلية ثلاثية الأبعاد في أي LMS أو حل رقمي للحصول على تجربة مستخدم نهائية سلسة.


& # x2018 رقم دنبار & # x2019 مفكك

يفترض الاعتقاد السائد والشائع أن البشر يمتلكون قدرة معرفية تقتصر على تتبع والحفاظ على علاقات مستقرة مع ما يقرب من 150 شخصًا. ينشأ هذا الرقم المؤثر ، "رقم دنبار" ، من استقراء لخط الانحدار الذي يصف العلاقة بين الحجم النسبي للقشرة المخية الحديثة وحجم المجموعة في الرئيسيات. هنا ، نختبر ما إذا كان هناك دعم إحصائي لهذه الفكرة. تحليلاتنا على مجموعات البيانات التكميلية باستخدام طرق مختلفة تسفر عن أرقام مختلفة تمامًا. تولد طرق المربعات الصغرى والنشوء والتطور البايزية تقديرات تقريبية لمتوسط ​​أحجام المجموعات بين 69-109 و16-42 ، على التوالي. ومع ذلك ، فإن فترات الثقة الهائلة البالغة 95٪ (4-520 و2-336 ، على التوالي) تشير ضمنًا إلى أن تحديد أي رقم واحد لا طائل من ورائه. لا يمكن اشتقاق الحد المعرفي لحجم المجموعة البشرية بهذه الطريقة.

1 المقدمة

"رقم دنبار" هو فكرة أن هناك حدًا معرفيًا للمجموعات البشرية يبلغ حوالي 150 فردًا. [1،2] هذا بسبب "[عدم] الحفاظ على تماسك المجموعة ، يجب أن يكون الأفراد قادرين على تلبية متطلباتهم الخاصة ، بالإضافة إلى تنسيق سلوكهم مع الأفراد الآخرين في المجموعة. كما يجب أن يكونوا قادرين على نزع فتيل الصراعات المباشرة وغير المباشرة التي تنشأ عن البحث عن الطعام في نفس المكان. [3] وفقًا للفرضية ، نظرًا لأنه يُعتقد عمومًا أن القشرة المخية الحديثة تلعب دورًا مهمًا في التعامل مع العلاقات الاجتماعية [4] ، يجب أن يضع حجمها حدًا أعلى لعدد العلاقات الاجتماعية المستقرة التي يمكن لأدمغة الرئيسيات تتبعها والحفاظ عليها. .

تم إنشاء الرقم 150 من خلال استقراء خط الانحدار الذي يصف العلاقة بين حجم المجموعة وحجم القشرة المخية الحديثة النسبي في الرئيسيات ، إلى البشر. [1،2،5،6] تم تكرار وجود علاقة بين حجم المجموعة وحجم القشرة المخية الحديثة النسبي في العديد من الدراسات (على سبيل المثال [7-14]) ، على الرغم من أنه في بعض الحالات فقط للإناث الرئيسيات [15،16] ، ولكن في كثير من الأحيان لا يتم العثور على علاقة مهمة (مما يجعل تقدير عدد دنبار غير قابل للتحقيق) [11 ، 14 ، 17 ، 18]. ومع ذلك ، فإن دراسات النسخ ذات قيمة محدودة إلى حد ما حيث أن معظم الدراسات استخدمت نفس بيانات الدماغ. [14] تم إجراء دراسات إضافية باستخدام تفكير مماثل ، ولكن مع تحليل الحجم النسبي للدماغ بدلاً من حجم القشرة المخية الحديثة النسبي (على سبيل المثال ، [9 ، 19 ، 20]).

تم إثبات حجم المجموعة البشرية المتوقع البالغ 150 شخصًا من خلال ملاحظات المجتمعات البشرية بأحجام مجموعات تتراوح بين 100 و 200 ، بما في ذلك مجتمعات الصيادين والجامعين والوحدات العسكرية والشركات والقرى من القرن الثامن عشر والعصر الحجري الحديث ، ومعلومات من كتاب يوم القيامة [2] وشبكات بطاقات عيد الميلاد [6].

غالبًا ما يُستشهد بـ "رقم دنبار" 1 ، وكان له تأثير كبير في الثقافة الشعبية (على سبيل المثال ، ظهر بشكل بارز في كتاب مالكولم جلادويل نقطة تحول [21]) وكان لها عواقب مثل إعادة هيكلة مصلحة الضرائب السويدية لمكاتبها للبقاء في حدود 150 شخصًا [22] ، مع افتراض ضمني ولكن غير مقصود أن موظفيهم ليس لديهم عائلة أو أصدقاء خارج العمل.

في محاولة لإجراء تفكيك حاسم للأساس التجريبي لعدد دنبار ، نقوم هنا بإجراء تحليلات مقارن لتطور المربعات الصغرى والمعممة (GLS) على مجموعات بيانات أكبر للعلاقة بين حجم المجموعة وكل من الدماغ النسبي وأحجام القشرة المخية الحديثة النسبية ، ثم استقراء من هذه العلاقات للوصول إلى تقدير محدث للحد المعرفي لحجم المجموعة البشرية ، بما في ذلك فترات الثقة.

2. الطرق

تم حساب متوسط ​​الأحجام على مكونات الدماغ من ثلاثة مصادر [18 ، 23 ، 24]. تم تضمين قياسات الأفراد فقط حيث يتوفر حجم المخ وحجم القشرة المخية الحديثة في تحليلات حجم القشرة المخية الحديثة. ومع ذلك ، تحتوي إحدى مجموعات البيانات على قياسات منطقة الدماغ التي تختلف اختلافًا كبيرًا عن غيرها [25]. لهذا السبب ، قمنا بتكرار تحليلاتنا باستخدام البيانات من مجموعة البيانات التي تم جمعها بعناية فقط [18]. يتم عرض هذه النتائج في المادة التكميلية الإلكترونية ، الملحق S1 (المواد التكميلية الإلكترونية ، الجدولان S2 و S3). ومع ذلك ، لا تختلف نتائج هذه التحليلات بأي طريقة ذات مغزى عن تلك الواردة في الورقة الرئيسية. نقدم أيضًا نتائج من قياسات الأحجام داخل الجمجمة مع التقديرات المقابلة لكتلة الجسم [26] ونكرر جميع التحليلات أيضًا على الرئيسيات البشرية فقط (المواد التكميلية الإلكترونية ، الجدولان S1 و S3). تم أخذ بيانات متوسط ​​أوزان المخ وأوزان الجسم وبيانات حجم المجموعة من دراسة حديثة [20] ، مع استكمالها ببيانات إضافية عن حجم المجموعة عند توفرها [26]. تم جمع القياسات على الدماغ البشري [27] وكتلة الجسم [28] بشكل منفصل. تم الحصول على إجماع السلالات لكل مجموعة بيانات من موقع 10kTrees [29]. تم تحويل جميع مقاييس الدماغ قبل التحليل ، باستثناء عند استخدام النسب ، والتي بدلاً من ذلك تم تحويل الجذر التربيعي القوسي.

تم تنفيذ جميع التحليلات في R باستخدام الحزم NLME [30] و APE [31] و MASS [32] و BRMS [33]. استخدمنا نماذج بايزي متعددة المستويات مع اعتراضات متفاوتة على الأنواع المحددة بواسطة مصفوفة التغاير وانحدارات المربعات الصغرى المعممة (PGLS) في جميع الأنحاء. في جميع تحليلات بايز ، تم نمذجة حجم المجموعة كتوزيع غاما مستمر وليس بواسون منفصل لأن البيانات المتاحة عبارة عن متوسطات محسوبة من مصادر مختلفة. ستختلف نتائج تحليلات Bayesian بعضها عن كل مرة يتم فيها تشغيل التحليلات وتكون قابلة للتكرار بالكامل فقط باستخدام نفس الجهاز. بالنسبة لتحليلات بايز ، تمت إضافة عدم اليقين المرتبط بتطور نسالة من خلال أخذ عينات عشوائية من التوزيع اللاحق للتأثيرات العشوائية الموجودة ، والتي تتمحور حول الصفر وتستخدم لحساب فترات الثقة. تم حساب خمسة وتسعين في المائة من فترات الثقة لـ GLS دون آثار النشوء والتطور. كمواد تكميلية إلكترونية ، الملحق S2 ، نقوم بتضمين كود R والمخرجات الناتجة.

3. النتائج

تكشف نتائجنا (الجدول 1) أن تقديرات أحجام المجموعات البشرية المتوقعة تختلف اعتمادًا على الطريقة والاختيار المتغير (تقديرات بايزي بين 69.2 و 108.6 وتقديرات GLE بين 16.4 و 42.0). لاحظ أن هذه التقديرات (كما كان صحيحًا بالنسبة لحجم المجموعة المقدر الأصلي لدانبار) هي متوسطات وليست تقديرات للحدود العليا. إذا تم تحديد قيد أعلى من هذا النوع من التفكير الإحصائي ، فمن الأفضل تحديد الحد الأعلى لفاصل الثقة 95٪. كما هو مبين في الجدول 1 ، مع ذلك ، فإن 95٪ فترات الثقة تسفر عن تباين هائل في تقديراتهم ، 3.8-520.0 و2.1-336.3 ، على التوالي ، وبالتالي تشير إلى حدود عليا تتجاوز 150 في جميع الحالات تقريبًا.

الجدول 1. تقديرات لأحجام المجموعات البشرية من التحليلات المقارنة للتطور النسبي لدماغ الرئيسيات النسبي وأحجام القشرة المخية الحديثة. بسبب الطبيعة الاحتمالية للاختبارات الإحصائية البايزية ، فإن تكرار هذه التحليلات ستؤدي إلى نتائج متشابهة ولكنها ليست بالضرورة متطابقة.


يجب أن تكون الخلايا قادرة على الاستجابة بشكل مناسب للتغيرات في البيئة. لهذا الغرض ، لديهم نظام معقد للرد على المحفزات الخارجية والتواصل مع بعضهم البعض. تشكل الإشارات الخلوية الصحيحة الأساس لاستتباب الأنسجة وإصلاحها بالإضافة إلى التطور والمناعة. يمكن أن يكون للأخطاء في الإشارات الخلوية عواقب مدمرة وتؤدي إلى المرض.

إن احتمالية استبدال الأنسجة التالفة بمكافئات هندسية تبشر بالخير للتطبيقات الطبية. في حين تم إحراز تقدم كبير بالفعل في مجالات معينة - مثل هندسة أنسجة الجلد - تظل هندسة الأعضاء الوظيفية بأكملها صعبة للغاية وغير مجدية حتى الآن. تقدم المقالات المدرجة في مجال التركيز هذا نظرة عامة على التقنيات المختلفة المستخدمة في هندسة الأنسجة بالإضافة إلى بعض الأمثلة الملموسة من المجالات المختلفة (مثل هندسة أنسجة العظام).


نظرية القشرة المخية الحديثة

يُقترح أن يعتمد تعلم المخ للعديد من المهام على استخدام عدد قليل جدًا من التقنيات الأساسية لتنظيم المعلومات. يقال إن هذا أصبح ممكنًا بسبب انتشار نوع معين من التكرار في العالم ، والذي يتميز بـ "فرضية أساسية". استخدمت هذه الفرضية لتأسيس نظرية للعمليات الأساسية التي من المقترح أن تنفذها القشرة المخية الحديثة. أنها تنطوي على استخدام الخبرة السابقة لتشكيل ما يسمى "الوحدات التصنيفية" التي يمكن من خلالها تفسير التجربة اللاحقة. يتم تخيل مثل هذه الوحدات التصنيفية عندما يحدث شيء ما بشكل متكرر في تجربة الدماغ ، أو يظهر التكرار الكافي في شكل مجموعات من مدخلات مختلفة قليلاً. يتم إعطاء حساب نظري للمعلومات (غير بايزي) لتشخيص المدخلات كمثال لوحدة تصنيف موجودة ، وللتفسير على هذا النحو لمدخل محدد بشكل غير كامل. تم تصميم النماذج العصبية لتنفيذ عمليتي التشخيص والتفسير ، ووجد أن أداء الثانية هو نتيجة تلقائية لقدرة النموذج على تنفيذ الأولى. تتم مناقشة اكتشاف وتشكيل وحدات تصنيفية جديدة في سياق هذه النماذج العصبية. يتضح كيف أن إدخال الألياف المتسلقة (من النوع الذي وصفه Cajal) إلى الخلية الصحيحة يمكن أن يتسبب في قيام تلك الخلية بعملية تسلق الجبال في مساحة احتمالية أساسية ، مما يؤدي بها إلى الاستجابة لفئة من الأحداث التي من أجلها من المناسب رمز. وهذا ما يسمى "تأثير التعرف المكاني". تتم مراجعة بنية القشرة المخية الحديثة في ضوء النموذج الذي تؤسسه النظرية. لقد وجد أن العديد من العناصر في القشرة لها تطابق طبيعي مع العناصر الموجودة في النموذج. يتيح ذلك إجراء العديد من التنبؤات ، بدرجات محددة من الحزم ، فيما يتعلق بالصلات والمشابك للخلايا والألياف القشرية التالية: خلايا مارتينوتي ، خلايا حبيبية دماغية ، خلايا هرمية من الطبقات الثالثة والخامسة والثانية. الياف التسلق الدماغي الرابع والسادس وخلايا القشرة المخية التي تنتج منها خلايا سلة دماغية خلايا مغزلية من الطبقتين السادسة والسابعة. يتضح أنه إذا تم ترميز القليل من المعلومات حول الوحدات التصنيفية التي سيتم تكوينها وراثيًا ، فقد يكون من الضروري استخدام تقنية تسمى تكوين الكودون لتنظيم البنية بطريقة مناسبة لتمثيل وحدة جديدة. يتضح أنه في ظل ظروف معينة ، من الضروري تنفيذ جزء من هذه المنظمة أثناء النوم. يتم التنبؤ بتأثير النوم على تعلم نوع معين.


ضبط سرعة العضلات

تنقبض عضلات القلب والهيكل العظمي للثدييات الكبيرة بشكل أبطأ من العضلات الأصغر. تحدد هذه الدراسة بدائل الأحماض الأمينية في الميوسين البشري والتي يمكن أن تزيدها في المختبر سرعة بروتين الفئران.

الصحة ومرض الزرق

تناقش راكيل ليبرمان عملها على بروتين ميوسيلين المتورط في الجلوكوما ، ولكن وظيفته الطبيعية تظل غير واضحة بعد أكثر من 20 عامًا.

أبحاث فيروس الجدري: من عدو إلى صديق

تستكشف سوزانا بيدجود مستقبل استخدام فيروسات الجدري كأدوات متعددة الاستخدامات لأبحاث بيولوجيا الخلية.

افتح علوم الكمبيوتر الدفتري

تقترح راشيل هاردينغ أن الدفاتر المفتوحة توفر فرصة للباحثين لعرض أعمالهم وتطوير العلوم بسرعة في مجالهم

لمحاربة السل ، قم بتمويل البحوث الأساسية

عشية اجتماع الجمعية العامة للأمم المتحدة بشأن مرض السل ، حث كريستوف جروندنر على الحاجة إلى اعتبار البحوث الأساسية مكونًا أساسيًا في أي استراتيجية مستقبلية لمكافحة السل.

الأشياء الصغيرة يمكن أن تكون مهمة

يتذكر نورمان بيس الأيام الأولى لما أصبح يعرف باسم "الميتاجينوميكس" ، كما اختبرها المؤلف أثناء تطوره كعالم.


البرنامج الوطني الجغرافي المكاني

باعتبارها واحدة من الركائز الأساسية للبرنامج الوطني الجغرافي المكاني التابع للمسح الجيولوجي الأمريكي (USGS) ، فإن الخريطة الوطنية هي جهد تعاوني بين هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية والشركاء الفيدراليين والولائيين والمحليين الآخرين لتحسين وتقديم المعلومات الطبوغرافية للأمة. له استخدامات عديدة تتراوح من الترفيه إلى التحليل العلمي إلى الاستجابة للطوارئ.

عارض الخرائط الوطني

عارض الخرائط الوطني (TNM Viewer) هو الوجهة الشاملة لتصور أحدث بيانات الخرائط الوطنية. إنه يستخدم سهولة التنقل في الخرائط الأساسية التأسيسية ويجعل من السهل التفاعل مع جميع سمات البيانات الخاصة بنا لإنشاء خريطتك الخاصة.

دورات TNM التدريبية

تقدم لك الخريطة الوطنية دورات تدريبية بالفيديو لمساعدتك على تعلم كل ما يمكنك فعله باستخدام الخريطة الوطنية.

منسقو الخريطة الوطنية

تعمل شبكة الشراكة للخريطة الوطنية (TNM) على تنمية العلاقات طويلة الأمد مع الشركاء وتحافظ عليها وتطور اتفاقيات للخريطة الوطنية والمبادرات الأخرى التي تدعم علوم هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.

الخريطة الوطنية هي مجموعة من المنتجات والخدمات التي توفر الوصول إلى المعلومات الجغرافية المكانية الأساسية لوصف المناظر الطبيعية للولايات المتحدة وأقاليمها. الخريطة الوطنية تتضمن 11 منتجًا وخدمة أساسية والعديد من التطبيقات والخدمات الإضافية.

الخريطة الوطنية يدعم تنزيل البيانات والإصدارات الرقمية والمطبوعة من الخرائط الطبوغرافية وخدمات البيانات الجغرافية المكانية والعرض عبر الإنترنت. يمكن للعملاء استخدام البيانات والخرائط الجغرافية المكانية لتعزيز تجربتهم الترفيهية ، واتخاذ القرارات المنقذة للحياة ، ودعم المهمات العلمية ، ولأنشطة أخرى لا حصر لها. بيانات جغرافية مكانية متسقة وطنيا من الخريطة الوطنية تمكين أفضل السياسات وقرارات إدارة الأراضي والتنفيذ الفعال للمسؤوليات التنظيمية. الخريطة الوطنية يمكن الوصول إليه بسهولة للعرض على الويب من خلال منتجات مثل الخرائط والخدمات الطبوغرافية وكبيانات قابلة للتنزيل. المعلومات الجغرافية المتاحة من الخريطة الوطنية تشمل الحدود ، والارتفاع ، والأسماء الجغرافية ، والهيدروغرافيا ، والغطاء الأرضي ، وتصوير العظام ، والهياكل ، والنقل.

الأغلبية الخريطة الوطنية يكرس الجهد للحصول على بيانات جغرافية مكانية متوسطة الحجم (اسمياً بمقياس 1: 24000) ودمجها للطبقات الأساسية الثمانية من مجموعة متنوعة من المصادر وتوفير الوصول إلى التغطيات السلس الناتجة عن البيانات الجغرافية المكانية. الخريطة الوطنية يعمل أيضًا كمصدر لمعلومات رسم الخرائط الأساسية لمنتجات رسم الخرائط المشتقة ، بما في ذلك خرائط Topo الأمريكية بمقياس 1: 24000 والملفات الرقمية ذات المرجعية الجغرافية للخرائط الطبوغرافية التاريخية الممسوحة ضوئيًا. مجموعات البيانات والمنتجات من الخريطة الوطنية مخصصة للاستخدام من قبل الحكومة والصناعة والأوساط الأكاديمية - مع التركيز على مستخدمي نظام المعلومات الجغرافية (GIS) - وكذلك الجمهور ، لا سيما في دعم الأنشطة الترفيهية. يمكن إضافة أنواع أخرى من معلومات تحديد المواقع الجغرافية أو الخرائط داخل عارض الخرائط الوطني أو جلبت معه الخريطة الوطنية البيانات في نظام المعلومات الجغرافية لإنشاء أنواع معينة من الخرائط أو طرق عرض الخريطة و (أو) لإجراء النمذجة أو التحليلات.

استخدم بياناتنا وخرائطنا وقم بتنزيلها!

يتوفر تنزيل بيانات GIS للخرائط الوطنية والتطبيقات الأخرى ذات الصلة للعمل مع البيانات الطبوغرافية الخاصة بنا على موقع تسليم البيانات الخاص بنا.

تشمل الموضوعات الداعمة للخريطة الوطنية (TNM) الحدود ، والارتفاع ، والأسماء الجغرافية ، والهيدروغرافيا ، والغطاء الأرضي ، والتصوير العمودي ، والهياكل ، والنقل. يمكن إضافة أنواع أخرى من المعلومات التي تم الإشارة إليها جغرافيًا أو الخرائط داخل TNM Viewer أو إحضارها مع بيانات TNM إلى نظام المعلومات الجغرافية لإنشاء أنواع معينة من الخرائط أو طرق عرض الخرائط و (أو) لإجراء النمذجة أو التحليلات.

تتم إدارة برنامج الارتفاع ثلاثي الأبعاد (3DEP) من قبل برنامج USGS National Geospatial Program نيابة عن المجتمع الأوسع بهدف الاستحواذ الكامل على lidar على مستوى البلاد (IfSAR في AK) في 8 سنوات لتوفير أول خط أساس وطني على الإطلاق من الدرجة العالية المتسقة. بيانات ارتفاع الدقة - سواء الأرضية العارية أو السحب النقطية ثلاثية الأبعاد - التي تم جمعها في إطار زمني أقل من عقد من الزمان. كما نواصل الاستعداد لتلبية الاحتياجات المتزايدة للبيانات عالية الجودة والتغطية المتكررة والمنتجات والخدمات الجديدة. تخدم هذه البيانات احتياجات الحكومة والقطاع العام والخاص لمجموعة واسعة من الأنشطة التي تشمل رسم خرائط مخاطر الفيضانات ، والزراعة الدقيقة ، وتخطيط البنية التحتية وتطويرها ، وإدارة الموارد الطبيعية ، والتقييم البيئي ، ومجموعة من التطبيقات الأخرى.

NMCorps هو مشروع لرسم خرائط التعهيد الجماعي عبر الإنترنت مع متطوعين قاموا بتحرير الهياكل بنجاح في جميع الولايات الخمسين ، وبورتوريكو ، وجزر فيرجن الأمريكية.

كجزء من الخريطة الوطنية، وتشمل الهياكل المدارس والمستشفيات ومكاتب البريد ومراكز الشرطة والمقابر وغيرها من المباني العامة الهامة. من خلال تحديث بيانات الهياكل والتحقق منها ، يقدم المتطوعون مساهمات كبيرة في قاعدة بيانات الهياكل الوطنية التابعة لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ، الخريطة الوطنية، وفي النهاية خرائط توبو الأمريكية!

يمكن لأي شخص لديه مصلحة في المساهمة التطوع. من السهل التسجيل والبدء! كل ما تحتاجه هو الوصول إلى الإنترنت وعنوان البريد الإلكتروني والاستعداد للتعلم. وثائق "الكيفية" بما في ذلك دليل المستخدم الشامل ودليل البدء السريع سوف تجعلك تقوم بالتحرير بسرعة. ابدأ التحرير في مسقط رأسك أو في أي مكان في الولايات المتحدة وبورتوريكو وجزر فيرجن الأمريكية.

يكسب المتطوعون شارات افتراضية للمشاركة ويتم التعرف على مساهماتهم (بإذن) عبر USGS و الخريطة الوطنية وسائل التواصل الاجتماعي.


المقدمة

على الرغم من أن القياسات الكمية للتشكل والتعبير الجيني كانت لفترة طويلة مكونًا من مكونات البحث التنموي ، فقد سادت الأوصاف النوعية 1 ، 2 ، خاصة في الدراسات الجزيئية. تصف العبارات النوعية بطريقة نعم / لا ، على سبيل المثال ، أي الأنسجة يتم التعبير عنها في الجين أو ما إذا كانت مجموعتان من الخلايا تتحركان بالنسبة لبعضهما البعض. هذه المعلومات الأساسية غير كافية ، مع ذلك ، لمعالجة العديد من الأسئلة الأساسية في علم الأحياء التطوري.

تتيح التطورات في وضع العلامات والتصوير وتحليل الصور الحسابية ، خاصة على مدى الـ 12 عامًا الماضية ، إجراء القياسات الكمية بسهولة أكبر وبتفاصيل أكبر بكثير مما كانت عليه في الماضي في مجموعة من الكائنات الحية بما في ذلك أرابيدوبسيس ، وسيونا ، وذبابة الفاكهة ، C. ايليجانس، الفئران ، بلاتينيريس ، وأسماك الحمار الوحشي. 3-16 على سبيل المثال ، تم إنشاء تحليل خلوي ، أطلس ثلاثي الأبعاد يسجل نوع الخلية ، ووقت الأصل التطوري ، والوصلات لكل من عشرات وآلاف الخلايا العصبية 8 (الشكل أ). تم تتبع حركات الآلاف من الخلايا في الوقت الحقيقي بالنسبة لبعضها البعض 3-7 (الشكل ب). تم إنتاج خرائط كمية للتعبير الجيني في كل خلية من خلايا الجنين 9-13 (الشكل ج). تم قياس التغييرات في أشكال الخلايا بمرور الوقت. 14 ، 15

أمثلة على الأطالس ثلاثية الأبعاد. (أ) أطلس FlyCircuit للتوصيل العصبي في ذبابة الفاكهة العقول. 8 كل لون مجموعات أعضاء في السبيل العصبي. تعرض كل لوحة مجموعات فرعية مختلفة من المسارات. (ب) هجرة الخلايا أثناء المعدة في ذبابة الفاكهة الأجنة. 3 تُظهر اللوحتان الأيسرتان حركات الخلية بمرور الوقت. تُظهر اللوحان الأيمنان نواقل الإزاحة الصافية ، مع إظهار خلايا الأديم المتوسط ​​باللون البرتقالي وخلايا الأديم الظاهر باللون الرمادي. (ج) أنماط تعبير mRNA لعوامل النسخ في ذبابة الفاكهة أجنة الأجنة. 10 يُظهر المنظر العلوي تمثيلًا ثلاثي الأبعاد للجنين. يُظهر العرض السفلي إسقاطًا أسطوانيًا يشير فيه الارتفاع إلى مستوى التعبير عن كل عامل نسخ في كل خلية. تم إنشاء كلا طريقتي العرض باستخدام أداة التصور PointCloudXplore. 17 ، 18

توفر هذه البيانات الكمية واسعة النطاق رؤى جديدة لم يكن من الممكن اكتسابها من خلال التحليلات النوعية. على سبيل المثال ، تم اكتشاف مجموعات من الخلايا العصبية الفردية التي تشكل وحدات معالجة محلية والتي تشكل بنية أساسية أساسية للدماغ 8 وهي مجموعة فرعية من حركات المعدة في ذبابة الفاكهة تبين أنها لا تتطلب عامل نمو الخلايا الليفية (FGF) ، في حين أشارت التحليلات النوعية السابقة إلى أن FGF كان إشارة أساسية 3 ووجد أن منظمات مصائر الخلايا الظهرية / البطنية تؤثر بشكل ضعيف على التعبير عن المنظمين الأمامي / الخلفي في ذبابة الفاكهة، والتي فشلت الدراسات غير الكمية السابقة في اكتشافها. 19

تمامًا كما أدت مجموعات البيانات الشاملة للتسلسل الجيني إلى ثورة في الاكتشاف البيولوجي ، فإن القياسات الكمية واسعة النطاق للتعبير الجيني والتشكل ستكون بالتأكيد مساعدة كبيرة في تمكين علم الأجنة الحسابي في المستقبل. ستشكل مجموعات البيانات هذه الأساس الأساسي لمستوى الأنظمة والنماذج الحسابية للمسارات الجزيئية وكيف تتغير تركيزات التعبير الجيني والتفاعلات لإحداث تغييرات في شكل الخلية وحركتها واتصالها وتمايزها. في هذه المراجعة ، نناقش الاستراتيجيات والأساليب المستخدمة لإنشاء مجموعات البيانات هذه.

المدخلات الأولية لاشتقاق المعلومات الكمية للتعبير الجيني والتشكل الجنيني هي بيانات الصورة الخام ، إما لبروتينات الفلورسنت المعبر عنها في الأجنة الحية أو من علامات الفلورسنت الملطخة في مادة ثابتة. يتم بعد ذلك تحليل هذه الصور الأولية بواسطة خوارزميات حسابية تستخرج ميزات ، مثل موقع الخلية وشكل الخلية وتركيز المنتج الجيني. من الناحية المثالية ، يتم تسجيل الميزات المستخرجة بعد ذلك في قاعدة بيانات قابلة للبحث ، أطلس ، يمكن للباحثين من العديد من المجموعات الوصول إليه. يتميز بناء قاعدة بيانات بأدوات رسومية وتصور كمية بميزة السماح لعلماء الأحياء التطوريين الذين يفتقرون إلى المهارات المتخصصة في التصوير وتحليل الصور باستخدام معرفتهم لاستجواب واستكشاف المعلومات التي تحتوي عليها.

نحن نركز على الأساليب التي تلتقط المعلومات بدقة خلوية في ثلاثة أبعاد لأن الخلية هي لبنة البناء الأساسية لجميع الحيوانات ويكون التشكل دائمًا ثلاثي الأبعاد تقريبًا. أثبتت الدراسات الأقل دقة أو تحليلات الصور ثنائية الأبعاد أنها مفيدة لمعالجة بعض الأسئلة المهمة ، 20-28 لكن الفضاء لا يسمح بمناقشة هذه الأساليب هنا.

إنشاء أطالس ثلاثية الأبعاد: نظرة عامة

يعد إنشاء الأطلس أكثر شمولاً من الحصول على الصور وتحليلها. يتطلب فهمًا واضحًا للأسئلة البيولوجية التي يجب معالجتها. ثم يجب تحديد طرق الملصقات المناسبة ، وإعداد العينة ، والتصوير ، وتحليل الصور ، والتصور ، وإدارة البيانات (الشكل). مطلوب فريق متعدد التخصصات يمتلك مجتمعة الخبرة المطلوبة. لا يزال توليد أطالس مفيدة في مهده. تعتمد الطرق التي يجب استخدامها في كل خطوة على طول خط الأنابيب بشكل كبير على التحليل المطلوب. لا يوجد حاليًا "صندوق أدوات سحري" يمكن للعلماء استخدامه لتطبيق مهامهم المحددة. يجب تصميم كل خطوة لتناسب التجربة.

خط أنابيب لبناء واستخدام أطلس ثلاثي الأبعاد.

يعتبر تصوير العينات ثلاثية الأبعاد أمرًا صعبًا بشكل خاص. تنتج العدسات البصرية ذات التكبير العالي وقدرات التحليل صورًا عالية الجودة من عينات رقيقة ثنائية الأبعاد. ومع ذلك ، نظرًا لقصر عمق الحقول ، فإن هذه العدسات تعرض صورًا ضبابية ، وغالبًا ما تكون خارج نطاق التركيز من عينات سميكة وثلاثية الأبعاد. أيضًا ، العينات ثلاثية الأبعاد مثل الأجنة والأنسجة والأنظمة الأخرى متعددة الخلايا غير شفافة جزئيًا. هذا يحد من العمق في عينة ثلاثية الأبعاد يمكن تصويرها. تتم معالجة هذه العقبات باستمرار من خلال تطوير مجسات الفلورسنت الجديدة وعوامل التباين وتقنيات الحصول على الصور وتحليل الصور.

تولد مشاريع الأطلس ثلاثي الأبعاد مثل تلك الموجودة في الشكل كميات كبيرة من البيانات الخام ، بما في ذلك العديد من عينات الأجنة أو الأنسجة. يتطلب تجميع هذه البيانات في أطلس ، يمكن من خلاله استخراج المعلومات البيولوجية المطلوبة ، خط أنابيب تحليل مؤتمت بالكامل. لحسن الحظ ، واصلت التطورات في أجهزة الكمبيوتر وتخزين البيانات وتحليل الصور ورؤية الكمبيوتر مواكبة التحسينات في أساليب التسمية الحيوية والتصوير الحيوي ثلاثي الأبعاد.

وضع العلامات والتركيب

تتمثل الخطوة الأولى في بناء الأطلس في اتخاذ القرار ، بناءً على الأسئلة البيولوجية التي يجب معالجتها ، وما هي الجزيئات الكبيرة التي يجب أن يتم تصنيفها في النظام قيد الدراسة ، وما إذا كان ينبغي استخدام خلية حية أو مادة ثابتة. ليس من العملي بناء أطلس شامل يحتوي على جميع المعلومات التي يحتاجها نطاق واسع من علماء الأحياء التطورية. بدلاً من ذلك ، ستكون هناك حاجة إلى أطالس مختلفة لمعالجة كل سؤال. ليس من الممكن حاليًا تسمية جنين واحد بعشرات المسابير لمؤشرات حيوية مختلفة. عادةً ، يمكن دمج وسمين إلى أربعة ملصقات مختلفة بكفاءة وتمييزها في صورة واحدة ، وبالتأكيد في الدراسات عالية الإنتاجية حيث يجب أن يكون تحضير العينة قويًا. وبالتالي ، تتطلب الأطالس دمج البيانات من العديد من الصور.

إذا كانت قياسات شكل الخلية مطلوبة ، فستكون صبغة غشاء الخلية مفيدة. 14 تعتبر البقع النووية ، مثل الأصباغ المرتبطة بالحمض النووي أو اندماج البروتين الفلوري الأخضر هيستون ، مثالية لتحديد مواقع الخلايا. 19 ، 29 إذا كان من المقرر دراسة الهجرة الخلوية ، فيجب اتباع نهج الخلية الحية. 3 ، 11 ، 14 ، 29 إذا كان يجب إجراء قياسات التعبير الجيني في نسيج معتم ، فإن المادة الثابتة التي تم جعلها شفافة من خلال نقعها في مادة تثبيت واضحة بصريًا هي الطريقة العملية. 19 إذا تم قياس مستويات التعبير للعديد من mRNAs ، فمن الأفضل استخدام الحمض النووي فى الموقع التهجين لتسمية المادة الثابتة 19 بدلاً من وضع علامة الفلورسنت على mRNAs في الأجنة الحية ، حيث يتطلب الأخير إنشاء خطوط معقدة معدلة وراثيًا. 30

عندما يتم دمج البيانات الخاصة بالعديد من الجزيئات الحيوية المحددة في الأطلس ، يجب تسجيل الصور المأخوذة من عدة أجنة أو عينات من الأنسجة ذات علامات مختلفة في نظام إحداثيات مشترك. هذا يتطلب أنه بالإضافة إلى كل عينة يتم تصنيفها لأحد الجزيئات الحيوية المحددة ، يجب أن تحمل أيضًا تسمية مرجعية مشتركة. يمكن أن يكون المرجع عبارة عن بروتين منقوش مكانيًا أو مرنا. 10 بدلاً من ذلك ، إذا كان التشكل وعدد الخلايا ثابتًا بدرجة كافية بين العينات ، كما هو الحال بين أجنة الديدان الخيطية في نفس المرحلة التنموية ، فيمكن استخدام صبغة عامة للنواة أو علامة بيولوجية أخرى لموقع الخلية. 29 في بعض الحالات ، تم استخدام الشكل العام للعينة بنجاح للتسجيل. 8 نظرًا لاستخدام الملصق المرجعي في جميع أنحاء مشروع بناء الأطلس ، يجب توخي الحذر بشكل خاص عند اختياره.

بالنسبة لمجموعات البيانات ثلاثية الأبعاد ، خاصة تلك التي تجري قياسات كمية للتعبير الجيني ، فإن التسميات المستخدمة دائمًا ما تكون فلورية. في تجارب الأجنة الحية ، يتم استخدام خطوط معدلة وراثيًا تعبر عن البروتينات الفلورية بأطياف انبعاث مختلفة. 31 ، 32 هنا عادة ما تكون صعوبة تكوين حيوانات معدلة وراثيا تستهدف جينات معينة ذات أهمية هي خطوة تحديد المعدل. مع المواد الثابتة ، يمكن نشر مجموعة واسعة من الفلوروفورات ، بما في ذلك الأصباغ المرتبطة بالحمض النووي وأصباغ اليكسا المقترنة بالأجسام المضادة أو النقاط الكمومية. 19 ، 33 عند استخدام العديد من مجسات الفلورسنت المختلفة لتلطيخ نفس العينة ، يجب تحسين طيف انبعاث المجسات لإعطاء أقصى فصل طيفي. يجب أيضًا ألا يغيب عن البال أن العديد من المجسات ضخمة الحجم ويمكن أن تتداخل مع تفاعلات مستقبلات الترابط.

التركيب الصحيح للعينات المسمى قبل الحصول على الصورة أمر بالغ الأهمية. يزيد التثبيت المناسب من الوضوح البصري للعينة ، ويقلل من التأثيرات الضارة للجذور الحرة ويقلل من التعتيم الناتج عن الانحرافات البصرية. الهدف العام من التثبيت هو تقليل التغييرات في معامل الانكسار بين العدسة والقاعدة وعينة الأنسجة. يمكن إزالة المواد الثابتة ، ولكن يجب توخي الحذر لأن المذيبات المستخدمة لا تعطل البيولوجيا المعنية أو الفلوروفور أو التشكل. يجب تركيب البيولوجيا الحية بحيث يمكنها تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بحرية ولديها مجال للنمو مرة أخرى حتى لا تتعطل مورفولوجيتها.

التصوير في ثلاثة أبعاد

الخطوة التالية هي تحديد طريقة التصوير المناسبة ومعلمات الحصول على الصور المرتبطة بها. يتوفر عدد من التقنيات لالتقاط صور ثلاثية الأبعاد. تستخدم هذه الطرق طرقًا مختلفة لإزالة المعلومات الخارجة عن نطاق التركيز التي يتم جمعها عند عرض صورة ثلاثية الأبعاد على جهاز التقاط صورة ثنائي الأبعاد. 34 ، 35 يمكن استخدام بعض القياسات الأساسية لمقارنة أنظمة التصوير المختلفة. الكفاءة الضوئية هي نسبة عدد الفوتونات التي يتم جمعها لإنشاء الصورة إلى عدد الفوتونات المستخدمة لإثارة التألق. تعمل الكفاءة الضوئية العالية على تقليل مقدار ضوء الإثارة الضار المطلوب وتزيد من سرعة الاستحواذ المحتملة. نسبة الإشارة إلى الضوضاء هي جزء شدة إشارة الصورة مقسومًا على شدة الضوضاء. ينتج ضوضاء الصورة عن التألق في كل مكان من العينة ، مثل التألق الذاتي ، والضوضاء الحرارية العشوائية الناتجة عن الكاشف. من المهم الحفاظ على نسبة الإشارة إلى الضوضاء أعلى من الحد الأدنى الحرج وإلا تهيمن ضوضاء الصورة ، مما يجعل تحليل الصورة اللاحق صعبًا. تعد الإشارة إلى الضوضاء أحد الاعتبارات المهمة عند الحاجة إلى سرعات اكتساب سريعة أو عند تصوير أعداد منخفضة من الفلوروفورات.

يعتمد اختيار طريقة التصوير على عدة عوامل. بالنسبة لتجارب الخلايا الحية ، من الأهمية بمكان أن يظل التعرض الكلي للضوء عند الحد الأدنى لأن جزيئات الفلورسنت المتوهجة في وجود الأكسجين تخلق جذورًا حرة مشحونة تعطل المسارات الكيميائية الحيوية والمكونات الخلوية الجزيئية المتقاطعة. تعد سرعة الحصول على الصور مهمة أيضًا في تصوير الخلية الحية لالتقاط ديناميكيات المعيشة بشكل صحيح. اختيار العدسة الموضوعية مهم. يتم تعريف العدسات الموضوعية من خلال العديد من الخصائص ، ولكن بشكل أساسي من خلال تكبيرها وفتحة العدسة العددية (NA) ومسافة العمل. التكبير هو نسبة الأطوال في الصورة إلى الأطوال المقابلة في العينة. NA هو مقياس لقدرة العدسة على جمع الضوء. يتم تعريفه من خلال أكبر زاوية يتم فيها التقاط الضوء المنبعث من نقطة على العينة بواسطة العدسة وعمليًا بواسطة معامل الانكسار للسائل الذي يقرن الهدف بالعينة. تختلف NA للعدسات الموضوعية من القيم المنخفضة بين 0.3 و 0.5 ، من خلال القيم المتوسطة بين 0.5 و 1.0 ، إلى القيم العالية بين 1.0 و 1.5. NA هو مقياس للقوة التحليلية لنظام التصوير ويزيد معها. عند اختيار NA للعدسة الموضوعية ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن محوره (ض-المحور) ستكون قوة الحل بشكل عام أقل من جانبها (xذ المحور) حل السلطة. مسافة العمل هي المسافة بين مقدمة العدسة والنقطة أو المستوى في العينة التي يتم تصويرها. تعد مسافة العمل مهمة في التصوير ثلاثي الأبعاد لأنها أقصى عمق في العينة يمكن تصويره بواسطة تلك العدسة. العدسات الموضوعية ذات NAs المنخفضة والمتوسطة عادةً ما تكون مقترنة بالهواء بالعينة ، ولها تكبير منخفض إلى متوسط ​​، وتسمح بأكبر مسافات عمل. العدسات الموضوعية ذات NA العالية لها أقصر مسافات عمل وتقترن بالعينة بسوائل أكثر كثافة من الهواء ، مثل الماء أو الجلسرين أو الزيت. في حين أن هذه المعايير تعقد عملية الحصول على الصور ، فإن عدسات NA العالية تتمتع بأعلى نسبة تكبير وقدرات حل ، وتنتج صورًا بجودة استثنائية. ومع ذلك ، قد لا تكون عدسات NA العالية عملية لبعض التطبيقات ، مثل تصوير الجنين الحي الذي تم تركيبه في تكوينات تتطلب مسافات عمل أطول. كل طريقة تصوير لها نقاط قوتها وضعفها ، وفي النهاية يعتمد الاختيار على السؤال العلمي الذي يقود بناء الأطلس. يتطلب اختيار طريقة التصوير الأنسب لتطبيق معين فهم التفاصيل الفنية الأساسية.

يستفيد الفحص المجهري للإضاءة المهيكلة من Wilson-grating 36 من عمق المجال الضحل للعدسات الموضوعية باستخدام مقضب معتم في مسار الإضاءة. يتم عرض صورة للشبكة وتضيء جزءًا من العينة بنمط مخطط. يتم الحصول على صور متعددة مع نقل المشابك إلى مواضع مختلفة حتى تضيء العينة بأكملها. يتم دمج الصور الناتجة بطريقة يتم فيها إزالة المكون الخارج عن التركيز المشترك بينها جميعًا. ما تبقى هو شريحة بصرية واحدة من العينة في المستوى البؤري للهدف. يتم إنشاء الصور ثلاثية الأبعاد عن طريق التصوير المتكرر للعينة على مستويات بصرية مختلفة على طول المحور البصري. تتميز هذه التقنية بكفاءة بصرية معتدلة حيث يتم التقاط نسبة كبيرة من الفوتونات المنبعثة الفلورية. في هذه الطريقة ، تعطي عدسات NA العالية أنحف شرائح بصرية وبالتالي أفضل دقة محورية. يستخدم التقاط الصور ثنائي الأبعاد ، وبالتالي يكون الحصول على الصور سريعًا ، ونتيجة لذلك ، فإن هذه الطريقة مفيدة للتصوير المباشر وكذلك بيولوجيا الخلية الثابتة. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام أشكال أخرى من إضاءة "الموجة الدائمة" المهيكلة لمضاعفة القوة التحليلية للفحص المجهري الفلوري واسع المجال 37 وإنشاء مجاهر بصرية فائقة الدقة ، مع حل القوى بترتيب من الحجم يتجاوز حد الانعراج النظري. 38-41 ستكون مناسبة بشكل مثالي لبناء أطالس الهياكل الخلوية داخل الخلايا المفردة ، بدلاً من أطالس الدقة الخلوية للأجنة بأكملها.

يسجل الفحص المجهري Deconvolution 42 سلسلة من الصور في مستويات تركيز مختلفة من خلال عينة بيولوجية. يمكن اعتبار كل صورة على أنها مجموع قسم بصري موضعي والعديد من الأقسام خارج نطاق التركيز. من خلال معرفة العينة ، التي يتم الحصول عليها من الصورة ، والاستجابة البصرية لنظام التصوير ، والتي تسمى وظيفة انتشار النقطة ، يمكن إعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد داخل التركيز رياضيًا. تم تطوير طرق حسابية مختلفة لإزالة المكونات الخارجة عن التركيز من الصور الفردية ، والتي يتم دمجها بعد ذلك لإنشاء صورة واحدة ثلاثية الأبعاد. هذه الطريقة فعالة بصريًا لأنه لا يتم التخلص من الضوء - يتم تفكيكه وإعادة تعيينه. تستخدم هذه التقنية جهاز التقاط صور ثنائي الأبعاد ، لذلك يكون الحصول على الصور سريعًا وبالتالي فهو مناسب تمامًا لبيولوجيا الخلية الحية والثابتة. تكون قوة التحليل المحورية هي الأعلى مع عدسات NA العالية. تعمل هذه التقنية بشكل جيد في التألق ، ولكن يمكن أيضًا تطبيقها على أنواع أخرى من الفحص المجهري.

يستخدم الفحص المجهري للمسح بالليزر متحد البؤر مرايا الجلفانومتر لمسح شعاع ليزر مركّز عبر العينة. 43 نظرًا لأن الحزمة تضيء نقطة واحدة على العينة في كل مرة ، يتم إنشاء صورة ثلاثية الأبعاد بالتتابع ، نقطة بنقطة. ومع ذلك ، على الرغم من أن العدسات الموضوعية تركز الليزر لتحديد الدقة في المستوى البؤري في العينة ، فإن النقطة المركزة لا تزال كبيرة جدًا على طول المحور البصري وتضيء العديد من المستويات البعيدة عن التركيز. لإزالة الضوء الذي تم تجميعه من المستويات البعيدة عن التركيز البؤري ، يتم ترشيح الصورة من خلال ثقب في مستوى الصورة. يسمح هذا للضوء بالمرور من نقطة العينة المترافقة ، مما يحجب الضوء الذي تم جمعه من الطائرات خارج نطاق التركيز. هذه الطريقة غير فعالة بصريًا لأن معظم الفوتونات المثارة يتم استبعادها من الصورة بواسطة الثقب. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنه يتم جمع الصورة نقطة واحدة في كل مرة ، فإن أوقات الحصول على الصورة طويلة ، وهذا يحد من فائدة هذه الطريقة لتصوير الخلية الحية. ومع ذلك ، فقد أصبح الفحص المجهري للمسح بالليزر متحد البؤر شائعًا للغاية بسبب بساطة تنفيذه.

تقنية القرص الدوار 44 هي تكيف مع الفحص المجهري للمسح بالليزر متحد البؤر. تسمح مجموعة دائرية ميكانيكية من الثقوب ، قرص Nipkow ، لآلاف من حزم الليزر المركزة لمسح الكائن في نفس الوقت. في التنفيذ من قبل شركة Yokogawa Electric Corporation ، تم استخدام قرصين - أحدهما مصفوفة من العدسات الدقيقة التي تركز أشعة الليزر على العينة والآخر مجموعة من الثقوب التي تربط الصورة. وتتمثل ميزة هذا الأسلوب في أنه سريع ، ويستخدم التقاط صور ثنائي الأبعاد ، وبالتالي فقد تم استخدامه على نطاق واسع في تصوير الخلايا الحية. ومع ذلك ، فإنه يحتوي على حساسية بصرية منخفضة بسبب استخدام الثقوب وبسبب سرعة اكتسابه السريع ، يجب الحرص على الحفاظ على نسبة الإشارة إلى الضوضاء للصور.

الفحص المجهري للمسح بالليزر ثنائي الفوتون هو تكيف آخر لمجهر المسح بالليزر.45 ، 46 بدلاً من التألق المثير عن طريق امتصاص فوتونات مفردة في طاقة امتصاص الفلوروفور ، يتم تحفيز التألق عن طريق الامتصاص المتزامن لفوتونين نصف طاقة. هذا الامتصاص اللاخطي يقلل بشكل كبير من الحجم داخل العينة البيولوجية التي يحدث فيها التألق. كثافة الفوتونات عالية فقط بما يكفي للامتصاص المتزامن للفوتونات ضمن حجم صغير من حزمة الليزر المركزة. ونتيجة لذلك ، فإن الطائرات البعيدة عن التركيز البؤري ليست متحمسة بشكل فلوري ، وهذا يلغي الحاجة إلى وجود ثقب متحد البؤر. يتميز الفحص المجهري ثنائي الفوتون بكفاءة بصرية أعلى من الفحص المجهري متحد البؤر. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن فوتونات نصف الطاقة لها أطوال موجية أطول ، فإنها تتشتت بشكل أقل وتتغلغل أكثر في العينات البيولوجية. نظرًا لأن الفلوروفور خارج حجم الإثارة غير متحمس ، يتم أيضًا تقليل السمية الضوئية وتبييض الضوء أثناء المسح بشكل كبير.

يلغى الفحص المجهري المستوي الانتقائي للورق الخفيف 40 ، 47 مصدر ضوء كولر التقليدي الذي يضيء الطائرات البعيدة عن التركيز في المقام الأول. بدلاً من الإضاءة على طول المحور البصري ، ينشئ الفحص المجهري المستوي الانتقائي ورقة عرضية من الضوء تثير مستوى بصريًا واحدًا عبر العينة. لا يوجد مسح في ملف Xص الاتجاه متورط ، ويتم تصوير القسم البصري المضيء على جهاز التقاط ثنائي الأبعاد. في أحدث الإصدارات من الفحص المجهري المستوي الانتقائي ، يمكن استخدام عدسات موضوعية متعددة لتصوير العينة من زوايا مختلفة ، وقد تم تصميم مرحلة العينة للسماح بالتناظر الدوراني حول ورقة الضوء. 47-50 اعتمادًا على اتجاه العدسات الموضوعية ، يمكن مضاعفة الاختراق البصري من خلال العينة (الأهداف في اتجاه 180 درجة) ، أو يمكن زيادة قوة الحل المحورية لعدسة واحدة بواسطة العدسة الثانية (الأهداف في اتجاه 90 درجة ). علاوة على ذلك ، من خلال تدوير المرحلة يمكن تصوير العينة في اتجاهات متعددة. الفحص المجهري المستوي الانتقائي فعال بصريًا ، والحصول على الصور سريع ويسمح بإثارة الفوتون الفردي والفوتونين. 51 هذه التقنيات متعددة الاستخدامات ومناسبة بشكل مثالي لديناميكيات الخلية الحية. هناك حاجة إلى بعض الحيل لتصحيح الصور لتأثيرات التظليل المستعرض الناتجة عن الإضاءة باستخدام ورقة ضوئية. يمكن القيام بذلك حسابيًا بعد الحصول على الصور أو عن طريق تأرجح زاوية الورقة الضوئية. يتطلب التصوير متعدد العدسات أيضًا تحليل ما بعد الاستحواذ لإنشاء الصورة النهائية. 52 يعتبر تركيب العينات البيولوجية أمرًا معقدًا بسبب التناظر الدوراني المطلوب حول لوح الضوء. على الرغم من أن iSPIM 53 يستخدم تكيفًا بصريًا ساطعًا يسمح بمجهر مستوي انتقائي على مجهر مقلوب منتظم. هناك حاجة إلى عدسات موضوعية أطول لمسافة العمل مع متوسط ​​NA ، وهذا يقلل من قوة التحليل للتصوير مما هو ممكن. وبالتالي ، على سبيل المثال ، لن تكون جودة الصور التي تم الحصول عليها من بيولوجيا الخلية الحية عالية على الإطلاق قدر الإمكان من طرق الخلايا الثابتة التي تسمح بمسح العينة ضوئيًا وتصويرها بأعلى قدرات حل بصري ممكنة حاليًا (الشكل ، مقارنة اللوحات أ وب).

مقارنة جودة الصورة في SPIM والفحص المجهري متعدد الفوتونات للمسح بالليزر. يتم عرض المقاطع البصرية Multiphoton للمرحلة 16 ذبابة الفاكهة ملطخة الأجنة لتسمية النوى. (أ) الصورتان العلويتان لجنين حي يعبر عن GFP-هيستون. تم التقاط الصور باستخدام تقنية SPIM ثنائية الفوتون "للتصوير متعدد الرؤية المتزامن" (SiMView) وقد تم تقديمها من قبل فيليب جي كيلر. 50 (ب) الصورتان السفليتان هما من emrbyo ثابت ملطخ بـ SYTOX Green وتم الحصول عليهما باستخدام الفحص المجهري القياسي للمسح بالليزر ثنائي الفوتون. يظهر الاتجاه الظهري / البطني للجنين من أعلى إلى أسفل في كل صورة. تم اختيار المقاطع البصرية من خلال المستوى الأوسط لكل صورة جنينية ثلاثية الأبعاد لإظهار الاتجاهات الأمامية / الخلفية (يسار) واتجاهها الأيسر / الأيمن (من اليسار إلى اليمين).

التقسيم واستخراج الميزات والتسجيل

بمجرد الحصول على مجموعة من الصور عالية الجودة ، فإن الخطوة التالية هي استخدام هذه البيانات لبناء أطلس كمي. تولد مشاريع الأطلس ثلاثي الأبعاد مثل تلك الموجودة في الشكل كميات كبيرة من بيانات الصور الأولية التي يجب دمجها في أطلس قابل للتحليل حسابيًا. كما نحدده ، فإن الأطلس هو في الأساس ورقة انتشار كبيرة ، وجدول به صفوف وأعمدة من الأرقام وأوصاف أخرى. هذه قد تعطي x,ذ,ض ينسق في مساحة الخلايا في نقاط زمنية متتالية ، وتركيزات ومواقع المنتجات الجينية في كل خلية ، ونوع الخلية النسيجية لكل خلية ، و / أو مؤشرات الخلايا المجاورة أو المتصلة. يتضمن بناء أطلس من بيانات الصور الأولية ثلاثة أنواع واسعة من تحليل الصور: التجزئة ، واستخراج الميزات ، والتسجيل 54-57 ، ويجب القيام بذلك بطريقة آلية.

تجزئة

التقسيم هو التقسيم الفرعي للصورة إلى مناطق تنتمي إلى - ولا تنتمي إلى - كائنات ذات أهمية ، مثل النوى وأغشية الخلايا والأنسجة. يتم تعيين كل فوكسل بطريقة نعم / لا في إحدى الفئات التي يتم تحديدها. تتوفر العديد من تقنيات التجزئة وتعتمد على خصائص مختلفة للصورة ، مثل السطوع أو اللون أو النسيج. تتضمن أمثلة تقنيات التجزئة العتبة ، مطابقة القالب ، مستجمعات المياه ، نمو المنطقة ، لابلاسيان الغاوسي ، اختلاف الغاوسيين ، مجموعة المستوى وطرق الزحف السريع. 58 ، 59 في عالم تحليل الصور ، تم حل مشكلة التجزئة للعديد من التطبيقات. ومع ذلك ، وخاصة بالنسبة للتصوير الحيوي المستند إلى التألق ، فإن تعقيد الصور يعني أن الأساليب الحالية لا تعمل "خارج الصندوق" وتحتاج إلى تفصيل محدد لتطبيق معين. على سبيل المثال ، يمكن استخدام تلطيخ الحمض النووي الكلي جنبًا إلى جنب مع خوارزميات التجزئة البسيطة نسبيًا لاكتشاف موضع الخلايا وعددها. ومع ذلك ، ستكون هناك حاجة إلى أساليب تجزئة أكثر تعقيدًا لتحديد الخلايا إذا كانت كثافة حزمها عالية جدًا. إذا كان التحديد الدقيق للأحجام الخلوية أو دون الخلوية مطلوبًا ، فقد تكون هناك حاجة لتقنيات التجزئة التي تكشف عن الحواف وكذلك النقط في الصورة بالاقتران مع تلطيخ المكونات الخلوية الأخرى. 60 غالبًا قد يلزم توفير تحليل التجزئة بداهة المعلومات ، مثل العدد والحجم والشكل وكثافة التعبئة للكائنات في الصورة المراد تقسيمها. بالنسبة للأنظمة متعددة الخلايا ، قد يتطلب الأمر التقسيم الهرمي بحيث يمكن تقسيم المكونات البيولوجية على مستوى الخلايا الفرعية والخلوية والأنسجة والعضو.

تُعرف نتائج تحليل التجزئة باسم أقنعة التجزئة التي تحدد الكائنات الفردية في الصورة. ومع ذلك ، قبل أن يمكن استخدامها لتوجيه التقييم الكمي اللاحق ، يجب تحديد دقتها. تكمن الصعوبة الأكبر في الحصول على حقيقة أرضية دقيقة لمقارنة التجزئة بها. تتمثل إحدى الطرق في مقارنة نتائج التجزئة ببيانات الصورة الأولية باستخدام أداة التصور. 61 في الدراسات عالية الإنتاجية ، ومع ذلك ، لا يمكن إجراء مثل هذه النقاط "بالعين" التي تتطلب عمالة كثيفة إلا على عينة صغيرة ، وعادة ما تكون أجزاء صغيرة فقط من عدد قليل من الصور. بدلا من ذلك ، يمكن ابتكار أساليب تلقائية. على سبيل المثال ، يقيس الارتباط بين عدد النوى المجزأة مقابل الحجم الكلي للجنين الدقة النسبية لطرق التجزئة النووية المختلفة ، على الرغم من أن هذا النهج لا يمكنه تحديد الدقة المطلقة. 10 لا يزال تحديد دقة تحليلات التجزئة واسعة النطاق يمثل تحديًا للمجال.

ميزة استخراج

بمجرد تأكيد دقة التجزئة ، يمكن استخدام أقنعة التجزئة لتوجيه التقييم الكمي للميزات المطلوبة للأطلس. يمكن قياس العديد من ميزات الصورة. يمكن تقسيمها على نطاق واسع إلى ميزات صلبة ، مثل المواضع والأبعاد ومعدلات الحركة وسطوع الخلايا والميزات اللينة ، مثل التحليل الإحصائي للنسيج والتعرف على الأنماط ومطابقة السياق والتجميع والتصنيف. 55 ، 62-64

تسجيل

تم تطوير طرق تسجيل الصور في مجال أبحاث الرؤية وتطبيقها على الاستشعار عن بعد والتصوير الطبي لسنوات. 65 العديد من هذه التقنيات قابلة للتطبيق على الأنظمة البيولوجية متعددة الخلايا. لإنشاء أطلس ، يجب وضع المعلومات من العديد من الصور في إطار صرفي مشترك. هذا ضروري لأن العينات البيولوجية ، مثل الأجنة ، نادرًا ما تكون متطابقة. يعني التباين البيولوجي أن عينات من نفس النظام البيولوجي قد تحتوي على أعداد مختلفة من الخلايا أو عدد مكافئ في مواضع نسبية مختلفة ، ويختلف هذا التباين البيولوجي باختلاف وقت النمو. سيكون لكل صورة من سلسلة من العينات المختلفة أو من نفس العينة في أوقات مختلفة معلومات فريدة ، مثل نمط التعبير عن الجين أو اتصالات الجوار بين الخلايا. يجب دمج المعلومات من صور متعددة بطريقة تجعل الأطلس الشامل الناتج يمثل بدقة علم الأحياء. للقيام بذلك ، تحدد طرق التسجيل أولاً مجموعات المواقع المتكافئة بيولوجيًا في كل صورة: على سبيل المثال ، الخلايا المقابلة. هناك العديد من الطرق للقيام بذلك والتي تستخدم التعبير عن جينات معينة أو التعقيد المورفولوجي المتأصل داخل العينة لتحديد مثل هذه المعادلات. 3 ، 9-11 ، 16 يتم إجراء التسجيل إما على بيانات الصورة الأولية قبل التجزئة أو على مجموعات من الميزات المجزأة. عند تسجيل بيانات الصورة الأولية ، يمكن اختيار صورة تمثيلية واحدة كنظام إحداثي مرجعي يتم تعيين الصور الأخرى عليه. 8 عند تسجيل المعالم المجزأة ، يمكن إنشاء نموذج متوسط ​​إحصائي كنظام إحداثيات مرجعي يتم وضع البيانات المستخرجة عليه. 10 في كلتا الحالتين ، يتضمن التسجيل تحديد مجموعات المعادلات في المكان والزمان التي تسمح بتسجيل نقاط أو كائنات مجزأة في صورة واحدة مع النقاط أو الكائنات المكافئة في صورة أخرى.

كما هو الحال مع تحليل التجزئة ، يجب تحديد دقة التسجيل. على سبيل المثال ، قد يؤدي التسجيل الخشن لصور الأجنة المتعددة إلى محاذاة محاور الجسم الرئيسية للعينة بدقة ، ولكنه سيؤدي إلى طمس المعلومات من الخلايا المجاورة غير المكافئة ، بسبب التباين البيولوجي. الطريقة الوحيدة لإنشاء أطالس تمثل البيولوجيا بشكل صحيح هي تسجيل الصور بدقة خلوية. وبهذه الطريقة سيتمكن المرء من إثبات أن السمات الكمية المستمدة من الأطلس تكرر النتائج المستمدة من تحليل أجنة فردية متعددة. 10

حزم تحليل الصور

لدعم التحقيقات الآلية القائمة على الصور عالية الإنتاجية للأنظمة متعددة الخلايا ، تقوم العديد من المجموعات بإنشاء صناديق أدوات لتحليل الصور خصيصًا لمعلوماتية التصوير الحيوي. 66 تجلب صناديق الأدوات هذه أحدث التطورات في التجزئة واستخراج الميزات والتسجيل إلى جمهور عريض من المجالات التي تمتد من علم الأحياء إلى رؤية الكمبيوتر. عند القيام بذلك ، تساعد صناديق الأدوات هذه في تكوين مجتمع جديد يتمتع بخبرة متعددة التخصصات.

مفيدة بشكل خاص هي مربعات الأدوات مفتوحة المصدر المتوافقة مع أنظمة تشغيل متعددة. كانت صورة المعاهد الوطنية للصحة و ImageJ من المعاهد الوطنية للصحة من أوائل المبادرات مفتوحة المصدر 67 ، وخضعت مؤخرًا لجولة أخرى من التطوير مع إدخال فيجي. 68 ICY هي منصة أخرى للمعلوماتية الحيوية وتحليل الصور. إنها تستفيد من مجموعة أدوات التصور مفتوحة المصدر (VTK ، http://www.vtk.org). 69 يعد BioImageXD 70 جهدًا تعاونيًا آخر يوفر تحليل الصور ومعالجتها وتصورها للصور المجهرية متعددة الأبعاد. كما أنه يعتمد على مجموعة أدوات التصور VTK ، ومجموعة أدوات التسجيل والتجزئة في البصيرة للمكتبة الوطنية للطب (ITK ، http://www.itk.org). تراجعصورة (http://www.diplib.org) عبارة عن مجموعة أدوات علمية لمعالجة الصور وتحليلها مكتوبة خصيصًا لـ MATLAB (http://www.mathworks.com). تراجعصورة يستفيد من قوة MATLAB ، مع السماح بمرونة المبرمج في إنشاء خطوط أنابيب تحليل الصور. قامت مجموعات أخرى بإنشاء صناديق أدوات لتطبيق معين. على سبيل المثال ، يسمح CellProfiler بالتقييم الكمي للنمط الظاهري للخلية المستزرعة. 71 بذلت جهود كبيرة أيضًا في تطوير بيئات تحليل قواعد البيانات والصور لمعلوماتية الصور الحيوية. ومن الأمثلة على ذلك Bisque 72 و Open Microscopy Environment (OME) ومؤخراً OME Remote Objects (OMERO). 73

قواعد بيانات

الاكتشاف باستخدام الأطالس

بمجرد إنشاء الأطلس القابل للبحث ، هناك طريقتان أساسيتان يمكن استخدامهما لتحليل البيانات: أحدهما مرئي والآخر رياضي. يكمن التحدي في أنه في حين أن علماء الأحياء يفهمون بشكل أفضل الأسئلة التي يمكن معالجتها باستخدام الأطلس ، فقد لا يمتلكون دائمًا المهارات الحسابية والرياضية اللازمة لإجراء تحليلات معقدة لملفات البيانات هذه. لهذا السبب ، يتعاون علماء الأحياء بشكل عام مع علماء الحوسبة. ومع ذلك ، ليس من الواضح دائمًا ما هي أفضل طريقة لتأطير التحليل. هنا ، يمكن أن توفر أدوات التصور إرشادات مهمة. توفر هذه الأدوات بيئة نقطة ونقر حيث يمكن لعلماء الأحياء استكشاف الميزات المختلفة للبيانات بأنفسهم ، على سبيل المثال البحث عن الارتباطات المثيرة للاهتمام. قد يؤدي هذا الاستكشاف في حد ذاته إلى اكتشافات جديدة ، ولكنه سيساعد أيضًا عالم الأحياء على فهم جودة وطبيعة مجموعة البيانات بشكل أفضل ، مما يحسن قدرته أو قدرتها على اقتراح التحليلات للزملاء الحسابيين. غالبًا ما يمكن تصدير نتائج التحليل الرياضي اللاحق كصفوف وأعمدة إضافية إلى نسخة محدثة من الأطلس ثم استكشافها بواسطة عالم الأحياء باستخدام أداة التصور.

أدوات التصور

يعد تطوير أدوات التصور لأطلس التشكل والتعبير ثلاثي الأبعاد أمرًا صعبًا. 61، 74-76 سرعان ما يصبح تعقيد البيانات غير قابل للتفسير للعين البشرية. يتم وضع عدة آلاف من الخلايا فوق بعضها البعض ، ولكل منها سمات كمية متعددة مخصصة لها. يتمثل التحدي في إيجاد طرق لعرض أجزاء محددة فقط من البيانات لتقليل التعقيد وبالتالي السماح بالتخيل ، على سبيل المثال ، الارتباطات بين سمة وأخرى. من المهم أن تسمح الأداة للمستخدم بالمرونة في اختيار السمات المراد مقارنتها ، بشكل مثالي مع الرسوم البيانية وخيارات العرض المختلفة.

يقدم الشكل بعض الأمثلة. في اللوحة (أ) ، يتم عرض مجموعات فرعية محددة من الخلايا العصبية التي تنتمي إلى مساحات محددة في كل لوحة. في اللوحة (ب) ، يتم عرض طريقتين لتصور كيفية تحرك الخلايا أثناء المعدة ، أحدهما يظهر تغيرًا مستمرًا بمرور الوقت ، والآخر يظهر متجهات متوسطة خلال فترة زمنية محددة. في اللوحة c ، تظهر الاختلافات في تعبير mRNA بين الخلايا في وجهتي نظر ، وجهة نظر مادية ثلاثية الأبعاد (أعلى) وإسقاط أسطواني (سفلي) يستخدم فيه الارتفاع لتوضيح الاختلافات في مستويات التعبير بشكل أفضل. ومع ذلك ، يمكن لأدوات التصور أن تتجاوز هذه الطرق المباشرة نسبيًا لعرض البيانات. على سبيل المثال ، لا يمكن تصور سوى عدد قليل نسبيًا من أنماط التعبير الجيني مرة واحدة في عرض مادي مثل ذلك في الشكل ج. يمكن مقارنة التعبير عن عشرات الجينات في وقت واحد ، ومع ذلك ، فقط إذا تم تمثيل مستويات التعبيرات لكل جين في جميع الخلايا على طول سلسلة من الإحداثيات المتوازية ذات البعد الواحد 17 (الشكل). في الوقت نفسه ، يمكن عرض نتائج مجموعة فرعية من الجينات مرة أخرى في عرض مادي ثلاثي الأبعاد ، بمجرد تحديدها على أنها ذات أهمية (الشكل).

تصور التعبير الجيني ثلاثي الأبعاد بإحداثيات متوازية. يُظهر كل محور عمودي مستويات تعبير mRNA لجين واحد في كل خلية من الخلايا البالغ عددها 6000 خلية في ذبابة الفاكهة جنين الأديم. تربط الخطوط البيانات لنفس الخلايا. تربط الخطوط الزرقاء الخلايا التي تعبر عن الجزء الأمامي من خط الأحدب (hb) ، والخطوط الصفراء شريط hb المركزي ، والخطوط الوردية الشريط الخلفي. يتم عرض مواقع هذه الخلايا في العرض المادي ثلاثي الأبعاد أدناه. في الإحداثيات المتوازية ، يمكن أن نرى بسهولة أن الشريط الأمامي على hb يتطابق مع تعبير slp1 العالي ، وشريط hb المركزي مع تعبير ftz عالي ، و 50٪ من شريط hb الخلفي مع تعبير عشية عالية. تم إنشاء هذه المشاهدات باستخدام PointCloudXplore ، وهي أداة تصور تفاعلية (http://bdtnp.lbl.gov/Fly-Net/bioimaging.jsp؟ w = pcx). 17

التحليل الرياضي

في نهاية المطاف ، فإن أقوى طريقة لتحليل أطلس ثلاثي الأبعاد هي من خلال مناهج رياضية معقدة. بهذه الطريقة فقط يمكن مقارنة مجموعة الميزات الكمية المتعددة داخل البيانات بدقة. تم إجراء مجموعة واسعة من التحليلات باستخدام أطالس ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال ، أظهر نموذج لحركة خلايا الأديم المتوسط ​​أثناء عملية المعدة ، من بين أشياء أخرى ، أنه لا توجد حركات خلايا الأديم الظاهر أو اتجاهات انقسامات الخلية مرتبطة باتجاه حركة خلايا الأديم المتوسط. 3 تحليل العلاقة بين التركيزات النسبية لجزيئات بروتين عامل النسخ والتغيرات الزمنية في التعبير الجيني المستهدف mRNA أسس علاقات تنظيمية مفترضة داخل شبكة النسخ. 77 أظهر القياس الكمي للتغيرات في أحجام الخلايا الجذعية النباتية والأقسام أن كلاهما يلعب أدوارًا رئيسية في تشكيل أشكال محددة. أظهر قياس التباعد بين الأنواع أنه حتى التغييرات الصغيرة في الشبكات التنظيمية تؤدي إلى اختلافات كبيرة في موضع وعدد الخلايا المكافئة. 78

هناك كل الأسباب للاعتقاد بأنه في المستقبل ستتم دراسة مجموعة أوسع من العمليات التنموية من خلال التحليل الرياضي للأطالس ثلاثية الأبعاد - التي تم إنشاؤها باستخدام تقنيات التصوير الضوئي وتحليل الصور. نظرًا لأن فئات البيانات الأخرى - مثل بيانات التفاعل الجزيئي - مطوية ، يمكن توقع نماذج أنظمة أكثر تعقيدًا تسعى إلى ربط الكيمياء الحيوية للشبكات التنظيمية بالديناميات المورفولوجية. سيؤدي إنشاء واستغلال الأطالس الكمية على نطاق واسع إلى فهم أكثر دقة للتنمية.


المواد والأساليب

تم إجراء عمليات إعادة البناء باستخدام أقسام نسيجية من مجموعة دماغ الثدييات المقارنة في جامعة ويسكونسن في ماديسون. تم ترقيمها باستخدام ماسح ضوئي قياسي للمكتب (Epson Expression 800) بدقة 800 نقطة في البوصة. تمت محاذاة الصور الناتجة لإنشاء مجموعة بيانات حجمية ثلاثية الأبعاد ، بهدف إعادة إنتاج العلاقة الأصلية بين الأقسام قدر الإمكان. للقيام بذلك ، تم استخدام صور العقول التي تم التقاطها قبل التضمين والتقطيع من العروض القياسية. على سبيل المثال ، لمحاذاة مجموعة من الشرائح الإكليلية ، تم استخدام الصور المسبقة من العروض الجانبية والظهرية. يوفر ملف تعريف الدماغ من العرض الجانبي معلومات حول المكان الذي يجب أن يكون فيه الجزء العلوي والسفلي من كل قسم إكليلي.تمت كتابة برنامج لتحديد مكان كل قسم في الملف الشخصي ، واستخراج معلومات حول موضعه العلوي والسفلي ، وتمثيله في صورة دليل. تم إنتاج صورة إرشادية واحدة لكل قسم. احتوى كل دليل على مجموعة من الخطوط تشير إلى المكان الذي يجب أن يكون فيه الجزء العلوي والسفلي واليسار واليمين من القسم المقابل. تمت محاذاة كل قسم يدويًا إلى صورة الدليل الخاصة به. كما تم محاذاة مع الأقسام المجاورة. نتج عن ذلك مجموعة بيانات تمت مواءمتها جيدًا محليًا وأيضًا إعادة إنتاج الشكل الأصلي للدماغ بشكل وثيق جدًا. كما تم استخدام صور التضمين المسبق للعقول لحساب أبعاد فوكسل وتصحيح الانكماش. يجب على المهتمين بتفاصيل هذا الرجوع إلى Bush and Allman (2004). تتوفر مجموعات البيانات المتوافقة على الويب (http://allmanlab.caltech.edu/people/bush/3d-histol/3d-brain-recon.html).

كان أحد أهداف الدراسة الحالية هو فحص شكل V1 في الرئيسيات المختلفة وربط الاختلافات الملحوظة بالكتلة أو نمط النشاط أو حجم الجسم. للقيام بذلك ، كان مطلوبًا قياسًا عدديًا لاستطالة V1. من عمليات إعادة البناء المورفولوجية ، من الممكن تقدير طول تمثيل خط الطول الأفقي (هذه القياسات موصوفة بمزيد من التفصيل أدناه). من الناحية المثالية ، يود المرء مقارنة هذا الطول بطول في الاتجاه المتعامد مع خط الزوال الأفقي. ومع ذلك ، ليس من الواضح كيفية قياس هذا البعد بطريقة متسقة في الأنواع المختلفة. بدلاً من ذلك ، تم قياس مساحة سطح V1. أعطت نسبة مربع طول خط الزوال الأفقي إلى مساحة السطح تقديرًا لاستطالة V1. يجب تربيع طول خط الطول الأفقي لجعله مشابهًا لقياس المساحة.

تم إجراء قياسات مساحة السطح والطول على مجموعة فرعية من 14 نوعًا تتوفر لها 85 شريحة أو أكثر لكل دماغ. تم إجراء هذه القياسات باستخدام حزمة برامج Amira (TGS ، سان دييغو ، كاليفورنيا). تم تقسيم مجموعة البيانات المحاذاة باستخدام الأساليب شبه اليدوية. تم استخدام هذه التقسيمات لإنتاج تمثيلات سطحية لسطح pial V1. تم تنعيمها (باستخدام خوارزمية تحرك كل قمة باتجاه متوسط ​​موضع جيرانها) من أجل إزالة بنية الشرائح الشبيهة بالدرج لمجموعة البيانات الأصلية ، مما قد يؤدي إلى المبالغة في تقدير مساحة السطح. ثم تم قياس مساحة الأسطح المصقولة. كما تم تقدير طول خط الزوال الأفقي. في الرئيسيات ، يتبع خط الزوال الأفقي قاعدة التلم الكلسي من طرفه المنقاري. يظهر في النهاية الذيلية للتلم ويتبع المسار المحدد بواسطة التلم على طول الطريق إلى الحافة الجانبية لـ V1. بقياس طول هذا ، تم الحصول على تقدير أولي لطول خط الزوال الأفقي.

تم إجراء قياسات الحجم من إجمالي 22 نوعًا من الرئيسيات ، بما في ذلك 14 فردًا و 8 ستريبسيريا (انظر الجدول 1 للحصول على قائمة الأنواع). في التحليل ، تم الجمع بين قياسات الدراسة الحالية مع قياسات Frahm et al. (1984) ، في المتوسط ​​في حالات التداخل. والنتيجة هي مجموعة بيانات تتكون من 37 نوعًا من الرئيسيات ، بما في ذلك 22 نوعًا من فصيلة الفردوس و 15 نوعًا من أنواع strepsirrhines. تم استخدام التناقضات المستقلة لتحليل هذه ، ويمكن العثور على مناقشة طرق كل من القياس والتحليل في Bush and Allman (2004). تم تصنيف الأنواع على أنها ليلية أو نهارية أو كاتيميرية (والتي تضمنت الأنواع التي يصعب تمييزها) بناءً على Rowe (1996).

V1G LGN V1surf حميريد Wb الجديد نيوج
هيلوباتس لار 4.4 0.15 30.1 11.66 101.28 20.5 45.12
الكهوف عموم 11.03 0.29 65.24 18.28 364.14 103.77 163.18
الانسان العاقل 16.14 0.37 غير متوفر غير متوفر 1251.85 422.48 555.36
Cercocebus torquatus 5.12 0.2 غير متوفر غير متوفر 117.08 40.36 47.92
النكتات Cercopithecus 4.14 0.12 غير متوفر غير متوفر 64.74 11.81 35.99
مكاكا مولاتا 3.26 غير متوفر 22.18 10.02 65.76 16.35 30.54
بابيو hamadryas 7.7 0.22 غير متوفر غير متوفر 159.11 39.68 79.1
Semnopithecus entellus 4.32 0.14 28.98 9.91 107.54 24.26 51.85
الوطا بلاياتا 1.86 0.09 12.81 8.43 43.52 11.41 17.15
Aotus trivirgatus 0.63 غير متوفر 4.69 4.8 11.42 1.74 5.23
أتيليس ص. 3.13 0.12 23.27 10.2 72.41 17.95 30.93
Callicebus ص. 0.84 0.03 6.79 5.54 11.9 1.94 5.12
Saimiri sciureus 1.43 غير متوفر غير متوفر غير متوفر 21.22 3.7 10.44
Tarsius syrichta 0.28 0.02 غير متوفر غير متوفر 3.06 0.15 1.47
أوليمور منغوز 1.06 0.05 8.66 5.33 22.24 3.83 8.2
Galago senegalensis 0.22 0.01 2.64 2.82 3.58 0.23 1.34
ليمور كاتا 1.31 0.06 9.1 5.29 21 2.12 8.96
Microcebus murinus 0.11 0.01 1.55 2.28 1.65 0.1 0.59
Nycticebus coucang 0.58 0.03 غير متوفر غير متوفر 11.27 1.07 4.4
Otolemur crassicaudatus 0.45 0.02 4.31 4.21 7.11 0.57 3.1
Perodicticus potto 0.33 0.02 3.16 3.25 10.16 0.64 3.91
Propithecus verreauxi 1.57 0.07 غير متوفر غير متوفر 25.19 2.35 9.84
  • * حجم المادة الرمادية V1G ، V1 بالسنتيمتر 3 LGN ، حجم LGN بالسنتيمتر 3 V1surf ، مساحة السطح V1 بالسنتيمتر 2 Hmerid ، مجموع المسافة على طول خط الطول الأفقي لنصفي الكرة الأرضية Wb ، حجم المخ بالكامل بالسنتيمتر 3 ، حجم المادة البيضاء القشرية الحديثة بالسنتيمتر 3 NeoG حجم المادة الرمادية القشرية الحديثة بالسنتيمتر 3. جميع القياسات لنصفي الكرة الأرضية مجتمعين.

تم استخدام كل من تقنيات الانحدار القياسية والطرق التي تنطوي على تباينات مستقلة لإثبات تحولات الدرجة بين الأنثروبويد والستريبسيريا. باستخدام تباينات مستقلة ، تمت مقارنة أسس القياس للمجموعتين من خلال تجميع التناقضات لكلا المجموعتين والتراجع من خلال الأصل. ثم تمت مقارنة المخلفات لكل مجموعة باستخدام أ ر-اختبار. بعد إثبات تشابه المنحدر ، تم البحث عن أدلة على وجود فروق في الدرجات من خلال مقارنة التباين بين المجموعتين مع التناقضات الأخرى (Barton and Harvey ، 2000).

تحتوي الدراسة الحالية أيضًا على تعداد الخلايا العصبية لـ LGN في الإنسان وقرد المكاك والشمبانزي. أجريت هذه القياسات على أدمغة مدمجة في السيلويدين ، فرد واحد لكل نوع. يأتي قرد المكاك من مجموعة المؤلفين ، ويعد الإنسان والشمبانزي جزءًا من مجموعة ياكوفليف في معهد القوات المسلحة لعلم الأمراض. تم إجراء تعداد الخلايا العصبية باستخدام طريقة التجزيء البصري على مجهر نيكون 800 المجهز بمحقق استريو.


محتويات

كان الهدف الأولي للمشروع ، الذي اكتمل في ديسمبر 2006 ، [4] هو إنشاء عمود محاكاة القشرة المخية الحديثة للجرذان ، والذي يعتبره بعض الباحثين أصغر وحدة وظيفية في القشرة المخية الحديثة ، [5] [6] والتي يُعتقد أنه مسؤول عن وظائف أعلى مثل التفكير الواعي. في البشر ، يبلغ طول كل عمود حوالي 2 مم (0.079 بوصة) ، ويبلغ قطره 0.5 مم (0.020 بوصة) ويحتوي على حوالي 60000 خلية عصبية. تتشابه أعمدة القشرة المخية الحديثة للجرذان كثيرًا في التركيب ولكنها تحتوي فقط على 10000 خلية عصبية و 10 8 نقاط تشابك عصبية. بين عامي 1995 و 2005 ، رسم ماركرام خريطة لأنواع الخلايا العصبية ووصلاتها في مثل هذا العمود.

بحلول عام 2005 ، تم الانتهاء من أول نموذج خلوي. تم بناء أول عمود قشري خلوي اصطناعي يتكون من 10000 خلية بحلول عام 2008. وبحلول يوليو 2011 ، تم بناء دائرة خلوية مكونة من 100 عمود قشري حديث مع مليون خلية في المجموع. تم التخطيط لدماغ جرذ خلوي [ يحتاج التحديث ] لعام 2014 مع 100 دائرة متوسطة يبلغ مجموعها مائة مليون خلية. تم التنبؤ بإمكانية إنشاء دماغ بشري خلوي يعادل 1000 مخ جرذ بإجمالي مائة مليار خلية بحلول عام 2023. [7] [8]

في تشرين الثاني (نوفمبر) 2007 ، [9] أبلغ المشروع عن نهاية المرحلة الأولى ، حيث قدم عملية تعتمد على البيانات لإنشاء عمود القشرة المخية الحديثة والتحقق من صحته والبحث فيه.

في عام 2015 ، طور العلماء في École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) نموذجًا كميًا للعلاقة غير المعروفة سابقًا بين الخلايا النجمية للخلايا الدبقية والخلايا العصبية. يصف هذا النموذج إدارة الطاقة في الدماغ من خلال وظيفة وحدة الأوعية الدموية العصبية الدبقية (NGV). تتم إضافة الطبقة الإضافية من الخلايا العصبية الدبقية إلى نماذج مشروع Blue Brain لتحسين وظائف النظام. [10]

في عام 2017 ، اكتشف مشروع Blue Brain أن المجموعات العصبية مرتبطة ببعضها البعض بما يصل إلى أحد عشر بعدًا. اقترح مدير المشروع أن صعوبة فهم الدماغ ترجع جزئيًا إلى أن الرياضيات المطبقة عادةً لدراسة الشبكات لا يمكنها اكتشاف هذه الأبعاد العديدة. كان مشروع Blue Brain قادرًا على نمذجة هذه الشبكات باستخدام الطوبولوجيا الجبرية. [11]

في عام 2018 ، أصدر مشروع بلو برين أول أطلس رقمي ثلاثي الأبعاد لخلايا الدماغ والذي وفقًا لـ علم يوميا، مثل "الانتقال من الخرائط المرسومة يدويًا إلى Google Earth" ، حيث يوفر معلومات حول أنواع الخلايا الرئيسية والأرقام والمواقع في 737 منطقة من الدماغ. [12]

في عام 2019 ، ألقى Idan Segev ، أحد علماء الأعصاب الحاسوبيين العاملين في مشروع Blue Brain ، محاضرة بعنوان: "الدماغ في الكمبيوتر: ما الذي تعلمته من محاكاة الدماغ". في حديثه ، ذكر أن القشرة الدماغية الكاملة لدماغ الفأر كانت كاملة وأن تجارب تخطيط كهربية الدماغ الافتراضية ستبدأ قريبًا. وذكر أيضًا أن النموذج أصبح ثقيلًا جدًا على أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي كانوا يستخدمونها في ذلك الوقت ، وبالتالي كانوا يستكشفون طرقًا يمكن من خلالها تمثيل كل خلية عصبية على أنها شبكة عصبية (انظر الاقتباس للحصول على التفاصيل). [13]

طور مشروع Blue Brain عددًا من البرامج لإعادة بناء ومحاكاة دماغ الفأر.

تحرير Blue Brain NEXUS

Blue Brain NEXUS [14] [15] هو نظام أساسي لتكامل البيانات يسمح للمستخدمين بالبحث عن البيانات وإيداعها وتنظيمها. إنها تقف على مبدأ بيانات FAIR لتوفير حلول مرنة لإدارة البيانات تتجاوز دراسات علم الأعصاب. إنه برنامج مفتوح المصدر ومتاح للجميع على GitHub. [16]

BluePyOpt تحرير

BluePyOpt [17] هي أداة تستخدم لبناء نماذج كهربائية من الخلايا العصبية المفردة. لهذا ، فإنه يستخدم الخوارزميات التطورية لتقييد المعلمات على البيانات الكهربية التجريبية. تم الإبلاغ عن محاولات إعادة بناء الخلايا العصبية المفردة باستخدام BluePyOpt بواسطة Rosanna Migliore ، [18] وستيفانو ماسوري. [19] إنه برنامج مفتوح المصدر ومتاح للجميع على GitHub. [20]

تحرير CoreNEURON

CoreNEURON [21] هو أداة تكميلية لـ NEURON ، والتي تسمح بالمحاكاة على نطاق واسع من خلال تعزيز استخدام الذاكرة وسرعة الحساب. إنه برنامج مفتوح المصدر ومتاح للجميع على GitHub. [22]

NeuroMorphoVis تحرير

NeuroMorphoVis [23] هي أداة تصور لأشكال الخلايا العصبية. إنه برنامج مفتوح المصدر ومتاح للجميع على GitHub. [24]

تحرير سوناتا

سوناتا [25] هو جهد مشترك بين مشروع بلو برين ومعهد ألين لعلوم الدماغ ، لتطوير معيار لتنسيق البيانات ، والذي يحقق بيئة عمل متعددة المنصات مع ذاكرة حسابية وكفاءة أكبر. إنه برنامج مفتوح المصدر ومتاح للجميع على GitHub. [26] [27]

يتم تمويل المشروع بشكل أساسي من قبل الحكومة السويسرية ومنحة المستقبل والتقنيات الناشئة (FET) الرئيسية من المفوضية الأوروبية ، [28] وثانيًا عن طريق المنح والتبرعات من الأفراد. اشترى EPFL كمبيوتر Blue Gene بتكلفة مخفضة لأنه لا يزال نموذجًا أوليًا وكانت شركة IBM مهتمة باستكشاف كيفية أداء التطبيقات على الجهاز. تم النظر إلى BBP على أنه تحقق من صحة مفهوم الكمبيوتر العملاق Blue Gene. [29]

تحرير الدماغ الأزرق كاجال

يتم تنسيق مشروع Cajal Blue Brain بواسطة الجامعة التقنية في مدريد ويستخدم مرافق مركز الحوسبة الفائقة والتصور في مدريد وحاسوبه الفائق Magerit. [30] كما يشارك معهد كاجال في هذا التعاون. تشمل الخطوط الرئيسية للبحث الذي يتم متابعته حاليًا في Cajal Blue Brain التجارب العصبية والمحاكاة الحاسوبية. تلعب تقنية النانو ، في شكل مجهر دماغي مصمم حديثًا ، دورًا مهمًا في خططها البحثية. [31]

تحرير وثائقي

يقوم نوح هاتون بعمل فيلم وثائقي مكون من 10 أجزاء ، وسوف يستكشف كل جزء طريقة عمل المشروع على مدار العام في EPFL. بدأ التصوير في عام 2009 ، ومن المقرر عرض الفيلم الوثائقي في عام 2020. كما تم ذكر مشاريع بحثية أخرى مماثلة. [32]


فيفيانا جرادينارو

ركزت أبحاث البروفيسور Gradinaru & # x27s على تطوير تقنيات لعلم الأعصاب واستخدامها لفحص الدوائر الكامنة وراء الحركة والمكافأة والنوم. جنبا إلى جنب مع المتعاونين والموجهين والمتدربين ، طور Gradinaru وطبق قراءات النشاط العصبي وأدوات التحكم مثل علم البصريات الوراثي (Gradinaru et al ، زنزانة 2010) وتطهير الأنسجة بواسطة CLARITY (Yang et al ، زنزانة 2014 Gradinaru et al ، المراجعة السنوية للفيزياء الحيوية 2018) لتشريح الدوائر الأساسية للحركة والمزاج واضطرابات النوم (Gradinaru et al ، علم، 2009 Xiao et al ، عصبون، 2016 Cho et al ، عصبون ، 2017). لاستخراج المعلومات الوظيفية من الأنسجة التي تم تطهيرها ، أبلغت المجموعة أيضًا عن طرق لتصوير متعدد الألوان ومتعدد الحمض النووي الريبي في الأنسجة العميقة. في أحدث الأعمال ، لتسهيل توصيل وحدات التحكم الجينية وأجهزة الاستشعار ، فقد طوروا طرقًا لفحص ناقلات الفيروس ، مع الجهود الأولى التي أسفرت عن قفيصة قادرة على عبور حاجز الدم في الدماغ من أجل نقل غير جراحي على مستوى الدماغ عند البالغين بعد الولادة الجهادية ( Deverman et al ، نات بيوتك.2016) وطريقة لوضع العلامات الجينية العشوائية المتفرقة التي تشبه Golgi لتقييم التشكل (Chan et al ، الطبيعة 2017) يركز العمل الجاري في هذا المجال على تحسين النواقل الفيروسية لخصوصية نوع الخلية وقدرة تغليف أكبر (Bedbrook et al ، المراجعة السنوية لعلم الأعصاب 2018)

حصل البروفيسور جرادينارو على جائزة مدير المعاهد الوطنية للصحة & # x27s New Innovator Award وجائزة التوظيف الرئاسي المبكر للعلماء والمهندسين وتم تكريمه كعالم شاب في المنتدى الاقتصادي العالمي وكواحد من Cell & # x27s 40 تحت سن 40. غرادينارو هو أيضًا سلون زميل ، Pew Scholar ، Moore Inventor ، Vallee Scholar ، وعضو مجلس NGL في معهد Allen Brain ، وحصل على جائزة Peter Gruss Young Investigator الافتتاحية من معهد Max Planck Florida Institute لعلم الأعصاب. في عام 2017 ، حصلت على جائزة العالمة المبكرة في مجال العلوم في علم الأعصاب (تاكيدا وأكاديمية نيويورك للعلوم) وفي عام 2018 حصلت على جائزة جيل ترانسفورماتيف.

كانت Viviana Gradinaru أيضًا نشطة للغاية في التدريس والخدمة ، حيث شاركت مع أعضاء المختبر في ورش عمل تدريبية تقنية منتظمة في Caltech وفي الدورات الصيفية في مختبر Cold Spring Harbour بالإضافة إلى إدارة مركز CLOVER (معهد Beckman لـ CLARITY و Optogenetics وهندسة المتجهات) ، والذي يوفر التدريب والوصول إلى مجموعة & # x27s الكواشف والأساليب لمجتمع البحث الأوسع.

(1) طرق التعديل العصبي الدقيق (علم البصريات الوراثي): يستخدم Optogenetics الضوء مع البروتينات الحساسة للضوء والمشفرة جينيا لتعديل أو مراقبة وظيفة أنواع معينة من الخلايا داخل الأنسجة الحية غير المتجانسة. زودت علم البصريات الوراثي علماء الأعصاب بوسائل لتنشيط أو تثبيط إطلاق مجموعة محددة من الخلايا العصبية على فترات زمنية فسيولوجية تبلغ أجزاء من الألف من الثانية ودراسة التأثيرات على الكائنات الحية التي تتحرك بحرية. من خلال استهداف التعبير عن opsin (s) لفئة محددة من الخلايا العصبية داخل بنية دماغية محددة ، من الممكن فهم وظيفة تلك الخلايا العصبية بدقة غير ممكنة بالطرق الكهربائية أو الكيميائية. من خلال تجارب علم البصريات الوراثي ، يكشف علماء الأعصاب بسرعة عن كيفية عمل الخلايا العصبية والدوائر الفردية معًا للتحكم في المزاج والتعلم والذاكرة والرغبة والوظيفة الحسية والحركية بالإضافة إلى كيفية تغيير هذه الدوائر في الحالات المرضية. على الرغم من أنه أصبح الآن حقلاً ناضجًا ، إلا أنه في الأيام الأولى بدءًا من عام 2005 ، كانت هناك تحديات كبيرة تم حلها: العديد من الأوبسين ، وخاصة المضخات ، لم تكن تتحملها خلايا الثدييات جيدًا وبالتالي لا يمكن استخدامها في الجسم الحي. لقد وضعنا استراتيجيات تهريب خلوية وعابرة خلوية نتج عنها أدوات بصرية فعالة وآمنة ، والتي تتضمن مثبطات تمتد على الطيف المرئي ، واستراتيجيات قابلة للتعميم لاستهداف الخلايا ليس على أساس الهوية الجينية ، ولكن على التشكل أو طوبولوجيا الأنسجة ، للسماح بالاستهداف متعدد الاستخدامات عندما لا تكون المحفزات معروفة أو في الكائنات الحية المستعصية وراثيًا. نفس المبادئ المستخدمة لتحسين حركة المرور خارج الشبكة الإندوبلازمية وفي الغشاء تعمل على مجموعة من الأوبسين الموصوفة حديثًا لعلم الأعصاب ومن المحتمل أن تساعد في التحمل في خلايا الثدييات للأوبسين الميكروبية التي لم يتم اكتشافها أو هندستها بعد.

أ. Gradinaru V.، Zhang F ، Ramakrishnan C ، Mattis J ، Prakash R ، Diester I ، Goshen I ، Thompson KR ، Deisseroth K. النهج الجزيئية والخلوية لتنويع وتوسيع علم البصريات الوراثي. زنزانة. 2010 أبريل 2141 (1): 154-65. PMCID: PMC4160532. يجب قراءة F1000. تحميل

ب. Bedbrook CN، رايس AJ، Yang KK، Ding X، Chen S، LeProust EM، Gradinaru V.، Arnold FH. إعادة تركيب SCHEMA الموجه بالبنية يولد قنوات خيمرية متنوعة. PNAS 2017 10 مارس PMID: 28283661 تنزيل

ج. Herwig L، Rice AJ، Bedbrook CN، Zhang RK، Lignell A، Cahn JK، Renata H، Dodani SC، Cho I، Cai L، Gradinaru V.، Arnold FH. التطور الموجه ل Rhodopsin الفلورية تحت الحمراء القريبة الساطعة باستخدام Chromophore الاصطناعية. خلية كيم بيول. 2017 فبراير 20. PMID: 28262559 تنزيل

(2) آليات التحفيز العميق للدماغ عن طريق التفكيك البصري الوراثي لدوائر الدماغ المريضة: يعد التحفيز العميق للدماغ (DBS) خيارًا علاجيًا قويًا للحركة المستعصية والاضطرابات العاطفية. فوائد التحفيز العميق للدماغ فورية ومثيرة ، وتتجلى في شكل تحسينات فورية في الوظيفة الحركية في حالة مرضى شلل الرعاش. ومع ذلك ، نظرًا لعدم خصوصية التحفيز الكهربائي ، لا تزال الآليات الكامنة وراء تأثيرات التحفيز العميق للدماغ مثيرة للجدل إلى حد كبير. من أجل فهم دور أنواع الخلايا المحددة الكامنة وراء العلاج DBS الفعال ، نجحنا في: (1) تطوير وتحسين تقنيات علم البصريات الوراثي (الجزيئي والأجهزة) للاستخدام الآمن والفعال في الثدييات ، بما في ذلك طرق القراءة مثل optrode و ( 2) استخدمت مجموعة أدوات علم البصريات الوراثي التي تم تطويرها أعلاه لتفكيك دوائر الدماغ المريضة ، مع التركيز على مرض باركنسون & # x27s. تحدى هذا العمل التصور التقليدي بأن التحفيز العميق للدماغ يعمل بشكل أساسي عن طريق تثبيط أجسام الخلايا المحلية في موقع التحفيز من خلال إظهار أن التحكم في المحاور في منطقة التحفيز كان كافياً لاستعادة السلوك الحركي في حيوانات باركنسون. إطار العمل والأدوات المطورة قابلة للتعميم عبر العديد من دوائر الدماغ لدراسة عمليات الدماغ السليمة والمضطربة ، وقد تم استخدامها لاحقًا في العديد من المشاريع داخل مجموعتنا وخارجها.

أ. Gradinaru V ، Mogri M ، Thompson KR ، Henderson JM ، Deisseroth K. التفكيك البصري للدوائر العصبية لمرض باركنسون. علم. 2009 أبريل 17324 (5925): 354-9. PubMed PMID: 19299587. Science News Focus. F1000 استثنائي. تحميل.

ب. Xiao C و Cho JR و Zhou C و Treweek BJ و Chan K و McKinney SL و Yang B و Gradinaru V.. إشارات الميزوبونتين الكولينية تتحكم في الحركة والمكافأة من خلال مسارات الدماغ المتوسط ​​القابلة للانفصال. عصبون 2016 أبريل 2090 (2) 33-47. PMCID: PMC4840478. تحميل.

ج. Cho JR ، Treweek JB ، Robinson JE ، Xiao C ، Bremner LR ، Greenbaum A ، Gradinaru V.. تعدل الخلايا العصبية الظهرية من الدوبامين الإثارة وتعزز الاستيقاظ من خلال المحفزات البارزة. نيورون 2017 يونيو PMID: 28602690. تحميل

(3) طرق رسم الخرائط التشريحية للدوائر السليمة (إزالة الأنسجة ، الوضوح): حتى مع قوة علم البصريات الوراثي للتحكم وقراءة شبكات الدماغ ، فإن التحدي الدائم هو معرفة الدوائر التي يجب تعديلها للحصول على تأثير علاجي مقصود: ليس لدينا خرائط مفصلة للاتصال عبر أحجام الدماغ الكبيرة. يمكن أن تكون هذه مشكلة خطيرة ، كما أوضحت دراسة علم البصريات الوراثي DBS أعلاه. قد يعمل جهاز DBS الكهربائي بشكل أساسي من خلال المادة البيضاء بعيدًا عن موقع القطب الكهربي ، مما يبرز الحاجة إلى خرائط دماغية أفضل. ومع ذلك ، من الصعب إنشاء مثل هذه الخرائط للمحاور الدقيقة المتميزة ظاهريًا والتي تعمل في حزم في جميع أنحاء الدماغ عندما تتضمن الطريقة التقليدية تقسيم الأنسجة إلى شرائح رقيقة ، وتصوير كل شريحة ، ووضعها كلها مرة أخرى مع برامج التصوير: إنها كذلك بطيئة ومملة ومكلفة وعرضة للخطأ. لقد استثمرنا في تطهير الأنسجة بدلاً من ذلك لإزالة الدهون التي تعيق الرؤية ، وابتكرنا طريقة جديدة تُعرف باسم CLARITY (طبيعة سجية، 2013) ، مما يجعل الأنسجة شفافة لسهولة تصور وتحديد المكونات الخلوية وهويتها الجزيئية دون تشريح. يُكمل تطهير الأنسجة علم البصريات الوراثي ، من حيث أنه يمكن أن يكشف بسهولة عن التأثيرات على نطاق الدائرة للتلاعب البصري ، كما يساعد في رسم خرائط الدوائر الجديدة التي تحتاج إلى ضبط في المرض. في محاولة لإتقان تنفيذ CLARITY ، أبلغت مجموعتنا مؤخرًا (زنزانة، 2014) الحالة الأولى لتطهير الجسم بالكامل - القوارض الشفافة التي يمكن استخدامها للحصول على خرائط مفصلة لكل من الأعصاب المركزية والمحيطية في أعضائها المستهدفة في جميع أنحاء الجسم. يمكن بعد ذلك تعديل هذه الأعصاب باستخدام علم البصريات الوراثي في ​​النماذج الحيوانية للأمراض لفهم ما يحتاج إلى ضبط لتحسين الأعراض ، ويمكن للمعرفة الناتجة أن تسهل علاجات أفضل تعتمد ، على سبيل المثال ، على تحفيز الأعصاب كهربائيًا لتحسين وظيفة الأعضاء أو لتقليل الألم المزمن.

أ. Chung K و Wallace J و Kim SY و Kalyanasundaram S و Andalman AS و Davidson TJ و Mirzabekov JJ و Zalocusky KA و Mattis J و Denisin AK و Pak S و Bernstein H و Ramakrishnan C و Grosenick L ، Gradinaru V.، Deisseroth K. الاستجواب البنيوي والجزيئي للأنظمة البيولوجية السليمة. طبيعة سجية. 2013 مايو 16497 (7449): 332-7. بميد: PMC4092167. تحميل

ب. Yang B ، Treweek JB ، Kulkarni RP ، Deverman BE ، Chen CK ، Lubeck E ، Shah S ، Cai L ، Gradinaru V.. التنميط الظاهري للخلية الواحدة داخل الأنسجة السليمة الشفافة من خلال تطهير الجسم بالكامل. زنزانة. 2014 أغسطس 14158 (4): 945-58. PMCID: PMC4153367. أبرزها المعاهد الوطنية للصحة ، الطبيعة ، العلوم ، F1000. Scientific American 10 World Changing Ideas 2014. Nature Biotechnology News and Views. تحميل

ج. تريويك ، جيه بي تشان ، ك. Flytzanis ، NC Yang ، B. Deverman ، B.E. جرينباوم ، أ.لينيل ، أ. زياو ، سي كاي ، إل لادينسكي ، إم إس. بيوركمان ، بي جيه فولكس ، سي. جرادينارو ، ف. استقرار أنسجة الجسم بالكامل والاستخراج الانتقائي عبر هجين الأنسجة والهيدروجيل لرسم خرائط ونماذج ظاهرية عالية الدقة للدوائر السليمة. بروتوكولات الطبيعة. 2015 10 نوفمبر (11): 1860-96. PMID: 26492141. تحميل

د. Greenbaum A و Chan K و Dobreva T و Brown D و Balani DH و Boyce R و Kronenberg HM و McBride HJ و Gradinaru V.، وضوح العظام: المقاصة والتصوير والتحليل الحسابي لمثبطات هشاشة العظام داخل نخاع العظم السليم علوم الطب الانتقالي 2017 PMID: 28446689 تحميل

(4) طرق المراقبة الضوئية للنشاط العصبي وكشف الحمض النووي الريبي في العمق: بالإضافة إلى التحكم البصري الوراثي في ​​نشاط الخلايا العصبية ، نحتاج إلى ملاحظات حول كيفية استجابة الأنسجة بالضبط لتعديل الضوء ، وضبطها أو خفضها وفقًا لذلك - على سبيل المثال لإيقاف النوبات. لقد عملت على موضوعين مرتبطين: مستشعرات الجهد البصري وتصوير جزيء واحد من الحمض النووي الريبي في الأنسجة التي تم تطهيرها. بالتعاون مع البروفيسور فرانسيس أرنولد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، عملت على استشعار الجهد باستخدام opsins الميكروبية للتحكم البصري بالكامل وقراءة الشبكات العصبية. يمكن تصميم Opsins لخصائص متنوعة ، بما في ذلك زيادة إشعاع opsin الذي يتتبع مستواه تغيرات جهد الغشاء بدقة زمنية عالية في أنواع الخلايا المحددة. استخدمت مجموعتي التطور الموجه للأوبسين لجعلها أفضل في الإبلاغ عن إمكانات العمل. يمكن للتغييرات في نسخ الحمض النووي الريبي أيضًا الإبلاغ عن تاريخ نشاط دوائر الدماغ. يعد الحفاظ على العلاقات المكانية أثناء الوصول إلى نسخة الخلايا المختارة ميزة حاسمة لتقدم العديد من المجالات البيولوجية ، من علم الأحياء التطوري إلى علم الأعصاب. التعاون مع الأساتذة. Cai and Pierce في Caltech أبلغنا مؤخرًا عن طرق التصوير متعدد الألوان والحمض النووي الريبي في الأنسجة العميقة. باستخدام تفاعل سلسلة التهجين أحادي الجزيء (smHCR) ، دمج وتنقية هيدروجيل الأنسجة PACT والفحص المجهري للورقة الضوئية ، اكتشفنا جزيء واحد من mRNAs في

عينات الأنسجة بسمك مم (المرجع 4 أدناه).

أ. Flytzanis NC ، Bedbrook CN ، Chiu H ، Engqvist MK ، Xiao C ، Chan KY ، Sternberg PW ، Arnold FH ، Gradinaru V.. متغيرات Archaerhodopsin مع مضان محسن حساس للجهد في الخلايا العصبية للثدييات و Caenorhabditis elegans. نات كومون. 2014 سبتمبر 155: 4894. PMCID: PMC4166526. تم اختيارها بواسطة طرق الطبيعة من أجل & quot طرق المشاهدة. & quot تحميل

ب. شاه S ، Lubeck E ، Schwarzkopf M ، He TF ، Greenbaum A ، Sohn CH ، Lignell A ، Choi HM ، Gradinaru V.* (في المقابل) ، بيرس NA * ، كاي إل *. & quot اكتشاف الحمض النووي الريبي أحادي الجزيء في العمق عن طريق تفاعل سلسلة التهجين ودمج وتنقية هيدروجيل الأنسجة. & quot التنمية. 2016 24 يونيو. pii: dev.138560. [Epub قبل الطباعة] PMID: 27342713

ج. DePas ، W.H. ، Starwart-Lee ، R. ، Van Sambeek ، L. ، Kumar ، S.R. ، جرادينارو ، ف* (مشارك في المقابلة) ، نيومان ، د.ك. * ، الكشف عن الجغرافيا الحيوية ثلاثية الأبعاد والحالات الأيضية لمسببات الأمراض في بلغم التليف الكيسي عن طريق تضمين هيدروجيل ، وتنظيفه ، ووسم الرنا الريباسي. mBio 2016 PMID: 27677788

(5) النهج القائمة على الفيروس لتسليم البضائع غير الغازية للدماغ كله: الأدوات المشفرة وراثيًا التي يمكن استخدامها لتصور الخلايا العصبية للثدييات ومراقبتها وتعديلها تُحدث ثورة في علم الأعصاب. هذه الأدوات قوية بشكل خاص في القوارض ونماذج اللافقاريات حيث تتوفر استراتيجيات التقاطع الجيني لتقييد تعبيرها على مجموعات الخلايا المحددة. ومع ذلك ، فإن استخدام الأدوات الجينية في الحيوانات غير المعدلة وراثيًا غالبًا ما يعوقه نقص النواقل القادرة على إيصال آمن وفعال ومحدد إلى الأهداف الخلوية المرغوبة. للبدء في معالجة هذه التحديات ، قمنا بتطوير ملف في الجسم الحي منصة الاختيار القائمة على Cre (CREATE) لتحديد الفيروسات المرتبطة بالغدة (AAVs) التي تنقل بشكل أكثر كفاءة مجموعات الخلايا المحددة وراثيًا. ينشأ نظامنا الأساسي & # x27s وقوتنا من الضغط الانتقائي الإضافي الذي تم نقله من خلال خطوة الاسترداد التي تضخم فقط تلك المتغيرات القفيصة التي نقلت وظيفيًا مجموعة خلايا مستهدفة محددة وراثيًا معبرة عن Cre. يعمل استرداد القفيصة المعتمد على Cre داخل عينات الأنسجة غير المتجانسة دون الحاجة إلى خطوات إضافية مثل أساليب استرداد القفيصة الانتقائية التي تتطلب فرز الخلايا أو عدوى الفيروسات الغدية الثانوية. كاختبار أول لمنصة CREATE ، اخترنا الفيروسات التي نقلت الدماغ بعد الولادة داخل الأوعية ووجدنا ناقلًا جديدًا ، AAV-PHP.B ، وهو أكثر كفاءة من 40 إلى 90 ضعفًا في نقل الدماغ من المعيار الحالي ، AAV9. ينقل AAV-PHP.B معظم أنواع الخلايا العصبية والخلايا الدبقية عبر الدماغ. نوضح هنا أيضًا كيف يمكن لإزالة أنسجة الجسم بالكامل أن تسهل خرائط التنبيغ للجينات التي يتم توصيلها بشكل نظامي. نظرًا لأن اضطرابات الجهاز العصبي المركزي تُعرف بالتحدي بسبب الطبيعة التقييدية لحاجز الدم في الدماغ ، فإن اكتشافنا أن النواقل المؤتلفة يمكن تصميمها للتغلب على هذا الحاجز ، مما يتيح المجال بأكمله. مع التقدم المثير في تحرير الجينات عبر CRISPR-Cas وتداخل الحمض النووي الريبي واستراتيجيات استبدال الجينات ، فإن توفر طرق توصيل الجينات الفعالة التي توفرها النواقل مثل AAV-PHP.B المبلغ عنها هو المفتاح لتطوير مجال هندسة الجينوم.

أ. Deverman BE، Pravdo P، Simpson B، Banerjee A، Kumar، S.R.، Chan K، Wu WL، Yang B، Gradinaru V.. ينتج اختيار الكابسيد المعتمد على كريات AAVs لنقل الجينات العالمية إلى دماغ البالغين. Nature Biotechnol. 2016 34 فبراير (2): 204-9. PMID: 26829320 PMCID قيد المعالجة. F1000 أهمية خاصة. Scientific American in Advances ، علم الأعصاب. (تم نشره عام 2016). تحميل

ب. K Chan، M Jang، B Yoo، A Greenbaum، N Ravi، W Wu، L Sánchez-Guardado، C Lois، S Mazmanian، B Deverman، رادينارو، الفيروسات المرتبطة بالغدة المصممة هندسيًا لتوصيل الجينات بشكل فعال وغير باضع في جميع أنحاء الجهاز العصبي المركزي والمحيطي NatureNeuro 2017يونيو PMID: 28671695 تنزيل

ج. ألين نحن ، كوفار الرابع ، تشين إم زد ، ريتشمان إي بي ، يانغ إس جيه ، تشان ك ، Gradinaru V.، Deverman BE ، Luo L ، Deisseroth K. التمثيلات العالمية للسلوك الموجه نحو الهدف في أنواع خلايا متميزة من القشرة المخية الحديثة للفأر. نيورون 2017794 (4): 891-907.e6. PMID: 28521139 تحميل

د. RC Challis ، SR Kumar ، KY Chan ، Challis ، MJ Jang ، PS Rajendran ، JD Tompkins ، K Shivkumar ، BE Deverman ، V Gradinaru* التعبير الجيني الواسع والمستهدف بواسطة ناقلات AAV النظامية: الإنتاج والتنقية والإدارة. بيوركسيف دوى: https://doi.org/10.1101/246405

تم تعيين الدكتور جرادينارو مؤخرًا كمحقق رئيسي في مجال التراث.

حصل الدكتور جرادينارو أيضًا على جائزة PECASE: & quot جوائز التوظيف الرئاسي المبكر للعلماء والمهندسين ، وهو أعلى وسام تمنحه حكومة الولايات المتحدة لمهنيي العلوم والهندسة في المراحل الأولى من حياتهم البحثية المستقلة. & quot


شاهد الفيديو: شرح وتحليل قصيدة The Spring Henry Howard مادة الشعر للمرحلة الثانية قسم اللغة الانكليزية (شهر نوفمبر 2022).