Open-source software odhaluje kompletní 3D architekturu mozkových buněk

Neurony v našem mozku, které jsou základem myšlení, se navzájem spojují pomocí malých větví podobných struktur na jejich povrchu, známých jako dendritické trny. Nyní vědci z Columbia’s Zuckerman Institute a jejich kolegové přišli s výkonným novým softwarem poháněným umělou inteligencí, který dokáže automaticky mapovat tyto dendritické trny na obrázcích neuronů, což je nástroj, který vědci dávají volně k dispozici.

Dokument podrobně popisující práci „Hluboké učení pro přesné a automatizované restaurování, segmentaci a kvantifikaci dendritické trny,“ je zveřejněno v Cell Reports Methods.

„Dendritické trny jsou obvykle prvním místem, které je zapleteno neurodegenerativních onemocnění jako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba,“ řekl Sergio Bernal-Garcia, postgraduální student v laboratoři Francka Polleuxe, Ph.D. a hlavní autor článku. „Porozumět jim více je tedy životně důležité.“

Dendritické trny se v současnosti většinou počítají ručně. Pečlivá analýza stovek obrázků neurony může trvat týdny nebo měsíce. S novým nástrojem nazvaným RESPAN (analýza páteře a neuronů s vylepšenou obnovou) „to na počítači zabere jen pár minut,“ řekl Bernal-Garcia.

RESPAN dokáže automaticky identifikovat dendritickou páteř, měřit její objem, délku a povrch. Software dokáže zobrazit polohu páteře na buňce a vypočítat vzdálenost od centrální části buňky, a to u živých zvířat. Poskytuje také několik volitelných kroků obnovy obrazu, které pomáhají analyzovat obzvláště náročné obrazy, a způsoby, jak mohou uživatelé trénovat svůj software na svých jedinečných datových sadách.

RESPAN nejenže překonal manuální analýzu, ale ukázal se i přesnější než předchozí nástroje neuronové analýzy a odhalil méně falešně pozitivních a negativních výsledků.

„Pomocí našeho volně dostupného nástroje mohou výzkumníci výrazně zlepšit konzistenci a důvěru ve své výsledky, což pomáhá řešit krizi reprodukovatelnosti v biomedicínská věda“ řekl starší a odpovídající autor studie Luke Hammond, bývalý ředitel platformy Cellular Imaging Zuckerman Institute a nyní ředitel kvantitativního zobrazování na neurologickém oddělení Wexnerova lékařského centra The Ohio State University.

Výzkumníci se snažili vytvořit RESPAN co nejpříjemnější pro uživatele. „Vědci se často vracejí k manuálním přístupům, protože softwarové balíčky, které pro daný úkol existují, postrádají funkčnost nebo mají omezenou přesnost při analýze obtížných snímků,“ řekl Hammond.

„Důležité je, že uživatelé nepotřebují znát žádné kódování, aby mohli používat RESPAN, a máme výukový program na YouTube, který je provede každým krokem.“

S novým nástrojem, který dokáže rychle a automaticky zmapovat každou dendritickou páteř na neuronu, vědci doufají, že mohou učinit nové objevy.

„Prostorovým mapováním každé páteře na neuronu můžeme nyní odhalit, zda jsou určitá místa náchylnější k onemocnění, a začít se ptát, zda mají páteře v různých oblastech odlišné molekulární podpisy,“ řekl Bernal-Garcia.

RESPAN lze spustit na PC nebo notebooku s GPU NVIDIA. Software je open source, což znamená, že ostatní si s ním mohou volně pohrávat, jak chtějí. „Vyzýváme komunitu, aby se přizpůsobila a zlepšila RESPAN,“ řekl Bernal-Garcia.