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.

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.

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.

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.

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.