Нейрондық жүйелерді автоматты түрде қайта құру бағдарламасы: NeuronStudio
NeuronStudio
Автоматты нейрон қаңқасын құру бағдарламасы NeuronStudio туралы ақпарат. Конфокал суреттерден нейрон құрылымдарын автоматты түрде іздеу, реконструкциялау және талдау.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
NeuronStudio – Синай тауындағы Икан медицина мектебінің Компьютерлік нейробиология және бейнелеу орталығында жасалған коммерциялық емес бағдарлама. Бұл бағдарлама конфокалды бейнелерден нейрон құрылымдарын автоматты түрде іздеу және қайта құру жұмысын жүзеге асырды. Соңында алынған модельдер одан әрі өңдеу, модельдеу немесе статистикалық талдау үшін стандартты форматтарда файлға экспортталды. NeuronStudio жергілікті дендриттік омыртқалардың геометриясынан бастап күрделі ағаш тәрізді топологияға және көптеген нейрондық желілердің кеңістіктік орналасуына дейінгі морфологиялық егжей-тегжейлерді қамтитын масштабтарда жұмыс істеді. Оның автоматты цифрландыру мүмкіндігі қолмен іздеу кезінде туындайтын субъективті қателерді болдырмады. Бағдарламаға 2012 жылы қолдау көрсету тоқтатылды және жобаның беттері ISMMS веб-сайтынан алынып тасталды. Дегенмен, оның құжаттамасы және Windows көзді коды әлі де Интернет архиві арқылы қолжетімді.
NeuronStudio was a non commercial program created at Icahn School of Medicine at Mount Sinai by the Computational Neurobiology and Imaging Center. This program performed automatic tracing and reconstruction of neuron structures from confocal image stacks. The resulting models were then exported to file using standard formats for further processing, modeling, or for statistical analyses. NeuronStudio handled morphologic details on scales spanning local Dendritic spine geometry through complex tree topology to the gross spatial arrangement of multi neuron networks. Its capability for automated digitization avoided the subjective errors inherent in manual tracing. The program ceased to be supported in 2012 and the project pages were eventually removed from the ISMMS Website. Its documentation and the Windows source code however are still available via the Internet Archive.
Деконвольсия
Суреттелген деректерді деконволюция жасау 3D-реконструкцияның дұрыстығы үшін маңызды. Деконволюция – бұл бейнелерді жақсарту әдісі, онда объектіні жақсырақ анықтау үшін оптикалық жүйенің нүктелік таралу функциясы (PSF) түріндегі алдын ала білімі қолданылады. Нүктелік таралу функциясын нақты микроскоп параметрлерінен есептеуге, бұршақтармен өлшеуге немесе бағалап, итеративті түрде жақсартуға болады (соқыр деконволюция). PSF-терді тереңдік бойынша және үлгінің ерекшеліктеріне байланысты тіндердің жарық сыну сипаттамаларының өзгеруін ескеру үшін жергілікті түрде реттеуге болады. Үлкен, тізбектелген тіндер блогымен автоматты түрде пайдалану үшін бұл, эксперименттік жолмен анықталған PSF-ті пайдаланудан гөрі жылдамырақ және дәлірек.
Deconvolution of imaged data is essential for accurate 3D reconstructions. Deconvolution is an image restoration approach where 'a priori' knowledge of the optical system in the form of a point spread function (PSF) is used to obtain a better estimate of the object. A point spread function can be either calculated from the actual microscope parameters, measured with beads, or estimated and iteratively refined (Blind deconvolution). PSFs can be adjusted locally to account for variations in refractive characteristics of the tissue with depth and sample characteristics. For automated use with large, tiled tissue blocks, this is faster and more accurate than using an experimentally determined PSF.
Скелеттеу және диаметрді бағалау
Стандартты скелеттеу алгоритмдеріндегі кванттау қателері цифрлық кескіндердің дискретті табиғатынан туындайды. Дендриттік геометрияны дәл бейнелеу қажеттілігі стандартты скелеттеу және диаметрді бағалау алгоритмдеріне осы кванттау қателерін түзетуге бағытталған жаңа бейімдемелерді жасауды талап етті. Итеративті жұқару скелеттеу әдістері әрбір ағаш түйінінен нысанның бетіне дейінгі қашықтықты вокселдермен өлшей алады. Бұл қашықтық – D6 метрикасы, ол беттен медиальді оське дейінгі минималды 6-байланысты жолмен алынып тасталған вокселдердің санын санау арқылы есептеледі. Дендриттік морфометрияға арналған қолданыстағы скелеттеу немесе векторизациялау алгоритмдерінде кез келген түйіндегі тармақтың қимасы шеңбер деп жуықталады, ал D6 метрикасы бір диаметрлік бағалауды ұсынады. Бұл диаметрлік бағалаудың дәлдігі вокселдердің физикалық өлшемімен шектеледі. Тіпті максималды бейнелеу ажыратымдылығында бірнеше вокселден ғана тұратын жіңішке дендриттер мен тікендер сияқты кіші құрылымдар үшін, егер бұл өлшем тікелей қолданылса, қате маңызды болуы мүмкін (суретті қараңыз). Кванттау қателерін азайту және түйіндердің геометриясын дәл бағалау үшін жаңа бағалау әдісі бар – Rayburst Sampling Algorithm, ол нақты, үздіксіз радиус бағалау үшін сегменттелген кескіндердің орнына бастапқы сұр түсті деректерді пайдаланады, сондай-ақ дөңгелек емес тармақ қималарын және сфералық емес тікендердің басын дәлірек бейнелеу үшін көп бағытты радиус үлгілеуді қолданады.
Quantization errors arise in standard skeletonization algorithms from the integer nature of digital images. The requirement for accurate representation of fine dendritic geometry has required the development of novel adaptations of standard skeletonization and diameter estimation algorithms to correct for these quantization errors. Iterative thinning skeletonization methods can provide a distance in voxels from each tree node to the surface of the object. This distance is the D6 metric, obtained by counting the number of voxels as they are removed in the minimal 6 connected path from the surface to the medial axis. In existing skeletonization or vectorization algorithms for dendritic morphometry, the branch cross section at any node is approximated as circular, with the D6 metric providing the single diameter estimate. The precision of this diameter estimate is limited to the physical size of the voxels. For small structures such as thin dendrites and spines, comprising only a few voxels even at maximal imaging resolution, the error can be significant if this measure is used directly (see figure). To minimize quantization error and evaluate more precisely the geometry of the nodes, a new estimation technique exists, the Rayburst Sampling Algorithm that uses the original grayscale data rather than the segmented images for precise, continuous radius estimation, and multidirectional radius sampling to more accurately represent non circular branch cross sections and non spherical spine heads.
Rayburst алгоритмі
Rayburst үлгі алу алгоритмі нақты, үздіксіз радиус бағалау және дөңгелек емес тармақтардың қималарын және сфералық емес тірек бастарының пішінін дәлірек бейнелеу үшін сегменттелген кескіндердің орнына бастапқы сұр масштабтағы деректерді пайдаланады. Алгоритм бірнеше бағытта деректерді үлгілейтін бірлік векторлар массивін алдын ала есептейді (Үлгі алу ядросы), одан түйіннің геометриясының бағасы есептеледі. Үлгі алу ядросымен әрбір бағытты дәл көрсету үшін N вектор бірлік сферада біркелкі орналасуы керек. Алгоритм бөлшектер физикасының симуляциясын қолданады, онда кездейсоқ бағытталған N бірлік векторлар жиынтығы жасалады, нәтижесінде сферадағы нүктелердің кездейсоқ, біркелкі емес таралуы пайда болады. Әрбір бөлшек басқа бөлшектерден кері квадратқа пропорционал болатын итергіш күш алады. Бөлшектерді пайда болған күштердің бағытына қарай итеративті түрде жылжыту арқылы бөлшектер өздерін қайта ұйымдастырады. Бұл жүйе шамамен 40 итерация ішінде тұрақты, ең төменгі энергиялық конфигурацияға ұмтылады, онда әрбір бөлшек ең жақын көршілерінен максималды түрде бөлінген. Бұл ақпарат кез келген ретсіз пішіндердің 3D тармақтарын қайта құру үшін пайдаланылуы мүмкін. Эквивалентті дөңгелек қиманың диаметрі медиалдық оське перпендикуляр жазықтықтағы Орташа Төменгі Жолақтың Диаметрі (MLBD) арқылы есептеледі. MLBD-ді есептеу үшін үлгілер жиынтығын алып, қарама-қарсы векторлардың сәйкес жұптарын қосу керек. Векторларды өлшемі бойынша сұрыптап, төменгі жолақты төменгі 50% ретінде анықтаңыз және диаметрді бағалау үшін төменгі жолақтың медианын білдіретін N/4 позициясындағы арақашықтықты пайдаланыңыз.
The Rayburst Sampling Algorithm uses the original grayscale data rather than the segmented images for precise, continuous radius estimation, and multidirectional radius sampling to more accurately represent non circular branch cross sections and non spherical spine heads. The algorithm precomputes an array of unit vectors which sample the data in multiple directions, (the Sampling Core) from which an estimate of the node's geometry is computed. Accurate representation of each direction by the sampling core requires that the N vectors should be uniformly spaced over the unit sphere. The algorithm uses a particle physics simulation in which a set N of randomly oriented unit vectors is generated, resulting in a random, nonuniform distribution of points on the sphere. Each particle then receives a repulsive force from every other particle, proportional to the inverse square of the distance between them. By iteratively displacing the particle in the direction of the resultant forces, the particles rearrange themselves. This system will tend to a stable, minimum energy configuration within approximately 40 iterations, where each particle is maximally separated from its closest neighbors. The information can be used to reconstruct 3D branches of arbitrarily irregular shapes. The diameter of an equivalent circular cross section is computed in the plane normal to the medial axis using the Median Lower Band Diameter (MLBD). To compute the MLBD, take the set of samples and add the corresponding pairs of opposite vectors. Sort the vectors by size, define the lower band as the lower 50%, and use the distance at position N/4, representing the median of the lower band, to estimate the diameter.
NeuronStudio-ның қолданылуы
NeuronStudio негізінен дендриттік тікендердің сандық морфологиялық талдауына қолданылады. NeuronStudio-да дендриттер мен тікендерді іздеудің ең үлкен артықшылығы – автоматты іздеу әдістері дендриттердің қозғалысына немесе дрейфіне сезімтал емес, себебі әр дендритті әрбір кескінде жеке-жеке іздеуге болады. Бұл өте ұзақ уақыт бойына жасалған жазбалардағы немесе бір-бірінен алыс уақыт аралықтарындағы тікендерді салыстыруға мүмкіндік береді. NeuronStudio талдауының нәтижесінде тікен басының ені мен тікеннің ұзындығы 3D форматта дәл өлшенеді, сондықтан бұл әдіс тікендердің морфологиялық өзгерістерін анықтау үшін пайдалы. Сонымен қатар, компьютерлік өлшеулердің қолданылуы жүздеген тікендерді салыстырмалы түрде қысқа мерзімде талдауға мүмкіндік береді.
NeuronStudio is mainly used for quantitative morphological analysis of Dendritic spines. The biggest advantage of using NeuronStudio based tracing of dendrites and spines is that the methods based on automatic tracing are not sensitive to the drift or movement of dendrites, because each dendrite can be separately traced in every stack. This allows to compare spines from very long recordings or more separated time points. As the NeuronStudio analysis results in accurate 3D measurements of width of spine heads and spine length, this method is useful in detecting changes in spine morphology. Further, the use of computer based measuring enables the analysis of hundreds of spines in a relatively short time.