Atlas Otak 3D memetakan tahapan utama perkembangan otak

ringkasan: Para peneliti membuat atlas 3D dari otak tikus yang sedang berkembang, memberikan gambaran struktur otak yang dinamis dan beresolusi tinggi selama tahap embrio dan pascakelahiran. Alat baru ini memungkinkan para ilmuwan untuk mengeksplorasi bagaimana sel-sel otak, seperti neuron GABAergic yang terkait dengan gangguan neurologis, muncul dan berinteraksi selama perkembangan.

Dengan mengintegrasikan pencitraan resonansi magnetik dan mikroskop lembaran cahaya, atlas ini memberikan kerangka acuan untuk mempelajari gangguan perkembangan saraf dan memajukan penelitian ilmu saraf. Atlas ini tersedia online, menyediakan akses global terhadap sumber daya penting untuk penelitian otak.

Fakta dasar:

• Atlas 3D memetakan perkembangan otak melalui tujuh tahap pada tikus.
• Atlas tersebut melacak neuron GABAergik, yang bertanggung jawab atas gangguan seperti autisme dan skizofrenia.
• Ini menawarkan alat interaktif gratis bagi para peneliti untuk mengeksplorasi perkembangan saraf.

sumber: pennsylvania

Atlas 3-D perkembangan otak tikus dibuat menggunakan teknik pencitraan dan mikroskop canggih oleh tim peneliti di Penn State College of Medicine dan kolaborator dari lima lembaga berbeda.

Atlas baru ini memberikan gambaran 360 derajat yang lebih dinamis tentang seluruh otak mamalia seiring perkembangannya selama tahap embrionik dan pascakelahiran, dan berfungsi sebagai referensi umum dan kerangka anatomi yang membantu para peneliti memahami perkembangan otak dan mempelajari gangguan perkembangan saraf.

Mereka menerbitkan karyanya hari ini (21 Oktober) pada Komunikasi Alam.

“Peta adalah infrastruktur penting untuk membangun pengetahuan, namun kita tidak memiliki atlas 3D resolusi tinggi dari otak yang sedang berkembang,” kata Youngsoo Kim, profesor ilmu neurologis dan perilaku di Penn State College of Medicine dan penulis senior dari penelitian tersebut. belajar. kertas.

“Kami membuat peta resolusi tinggi yang dapat kami gunakan untuk memahami bagaimana otak berkembang dalam kondisi normal dan apa yang terjadi ketika kelainan otak berkembang.”

Atlas geografis adalah kumpulan peta yang memberikan gambaran komprehensif tentang geografi bumi termasuk batas antar wilayah dan negara, fitur seperti gunung dan sungai, serta rute seperti jalan raya dan jalan raya. Yang terpenting, ini memberikan pemahaman umum yang memungkinkan pengguna mengidentifikasi lokasi tertentu dan memahami hubungan spasial antar wilayah.

Demikian pula, atlas otak sangat penting untuk memahami struktur otak. Mereka membantu peneliti memvisualisasikan bagaimana otak diatur secara spasial dan memahami struktur dan fungsi otak serta bagaimana berbagai wilayah dan neuron terhubung. Sebelumnya, para ilmuwan terbatas pada snapshot berbasis jaringan 2D, sehingga sulit untuk menafsirkan wilayah anatomi dalam 3D dan perubahan apa pun yang mungkin terjadi, kata Kim.

Dalam beberapa tahun terakhir, terdapat kemajuan luar biasa dalam teknik pencitraan seluruh otak yang memungkinkan peneliti melihat seluruh otak dengan resolusi tinggi dan menghasilkan kumpulan data 3D skala besar. Untuk menganalisis data tersebut, jelas Kim, para ilmuwan mengembangkan atlas referensi 3D otak tikus dewasa, model otak mamalia.

Atlas menyediakan kerangka anatomi global yang memungkinkan peneliti untuk melapisi kumpulan data yang beragam dan melakukan analisis komparatif. Namun, tidak ada yang setara dengan otak tikus yang sedang berkembang, yang mengalami perubahan bentuk dan ukuran secara cepat selama tahap embrionik dan pascakelahiran.

“Tanpa peta 3D perkembangan otak ini, kita tidak dapat mengintegrasikan data dari studi 3D yang baru muncul ke dalam kerangka spasial standar atau menganalisis data dengan cara yang konsisten,” kata Kim. Dengan kata lain, kurangnya peta 3D menghambat kemajuan penelitian ilmu saraf.

Tim peneliti menciptakan kerangka koordinasi multimodal 3D umum pada otak tikus di tujuh titik waktu perkembangan – empat titik waktu selama periode embrionik dan tiga titik waktu selama fase pascakelahiran. Dengan menggunakan MRI, mereka mengambil gambar bentuk umum dan struktur otak.

Mereka kemudian menggunakan mikroskop fluoresensi lembaran cahaya, sebuah teknik pencitraan yang memungkinkan seluruh otak dilihat pada resolusi sel tunggal. Gambar beresolusi tinggi ini kemudian dicocokkan dengan bentuk MRI otak untuk membuat peta 3D. Tim mengumpulkan sampel dari tikus jantan dan betina.

Untuk mendemonstrasikan bagaimana atlas dapat digunakan untuk menganalisis kumpulan data yang berbeda dan melacak bagaimana tipe sel individu muncul di otak yang sedang berkembang, tim berfokus pada neuron GABAergic, neuron yang memainkan peran kunci dalam komunikasi di otak. Jenis sel ini terlibat dalam skizofrenia, autisme, dan gangguan neurologis lainnya.

Meskipun para ilmuwan telah mempelajari neuron GABAergik di wilayah luar otak yang disebut korteks, menurut para peneliti, masih sedikit yang diketahui tentang bagaimana sel-sel ini muncul di seluruh otak selama perkembangan.

Memahami bagaimana kelompok sel ini berkembang dalam kondisi normal mungkin menjadi kunci untuk menilai apa yang terjadi jika terjadi kesalahan.

Untuk memfasilitasi kolaborasi dan memajukan penelitian ilmu saraf, tim telah membuat versi interaktif berbasis web yang tersedia untuk umum dan gratis. Tujuannya adalah untuk secara signifikan mengurangi hambatan teknis bagi peneliti di seluruh dunia untuk mengakses sumber daya ini.

“Hal ini memberikan peta jalan yang dapat mengintegrasikan banyak data berbeda – genomik, neuroimaging, mikroskopis, dan lainnya – ke dalam infrastruktur data yang sama. Hal ini akan mendorong evolusi penelitian otak berikutnya yang didorong oleh pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan,” kata Kim.

Penulis Penn State College of Medicine lainnya yang berkontribusi pada makalah ini meliputi: Faye Kronman, seorang mahasiswa gelar gabungan di Program Pelatihan Ilmuwan Medis MD/PhD; Josephine Liwang, mahasiswa PhD; Rebecca Beattie, pakar teknologi penelitian; Daniel Fanselow, manajer proyek penelitian; Stevie Mangella, peneliti pascadoktoral; Jennifer Minter, pakar teknologi penelitian; Dongwei Chen, pakar teknologi penelitian; Rohan Patel, pelajar; dan Keith Cheng, profesor terkemuka di Departemen Patologi.

Nicholas Tostson di Fakultas Kedokteran Universitas Virginia; Ashwin Bhandewad dan Lydia Ng di Institut Ilmu Otak Allen; Chung-Hyun Lee dan Jiangyang Zhang di Sekolah Kedokteran NYU Grossman; Jeffrey Duda dan James Gee di Universitas Pennsylvania; Jian Xue dan Yingxi Lin di Pusat Medis Universitas Texas Southwestern; Luis Boelis di Universitas Murcia; Yuan-Ting Wu, sebelumnya adalah ilmuwan peneliti di Penn State dan saat ini menjadi ilmuwan proyek di Cedars-Sinai Medical Center, juga berkontribusi dalam penelitian ini.

Pembiayaan: Institut Kesehatan Nasional memberikan RF1MH12460501 dari Penelitian Otak melalui Inisiatif Neuroteknologi Inovatif (BRAIN), R01NS108407, R01MH116176, dan R01EB031722 mendukung pekerjaan ini.

Tentang berita penelitian perkembangan otak

pengarang: Christine Yu
sumber: pennsylvania
komunikasi: Christine Yu – Negara Bagian Penn
gambar: Gambar dikreditkan ke Berita Neuroscience

Pencarian asli: Akses terbuka.
“Kerangka koordinasi untuk perkembangan otak tikus“Oleh Youngsoo Kim dkk. Komunikasi Alam

ringkasan

Kerangka koordinasi untuk perkembangan otak tikus

Atlas otak 3D adalah sumber daya penting untuk memahami organisasi spasial otak dan meningkatkan interoperabilitas di berbagai penelitian. Namun, berbeda dengan otak tikus dewasa, kurangnya pengembangan atlas referensi 3D otak tikus menghambat kemajuan dalam memahami perkembangan otak.

Di sini, kami menyajikan kerangka koordinasi umum perkembangan tiga dimensi (DevCCF) yang mencakup hari embrionik (E)11.5, E13.5, E15.5, E18.5, dan hari pascakelahiran (P)4, P14, dan P56, yaitu dicirikan oleh rata-rata templat atlas Morfologi yang tidak terdeformasi yang dihasilkan dari MRI dan templat mikroskop fluoresensi dari lembaran cahaya resolusi tinggi yang didaftarkan bersama.

DevCCF dengan bagian anatomi 3D dapat diunduh atau dieksplorasi melalui visualisator web 3D interaktif. Sebagai kasus penggunaan, kami menggunakan DevCCF untuk mendeteksi munculnya neuron GABAergik di otak embrionik. Selain itu, kami memetakan Allen CCFv3 dan data tipe sel transkriptomik spasial ke atlas P56 stereotaxic kami.

Singkatnya, DevCCF adalah sumber daya yang dapat diakses secara terbuka untuk mengintegrasikan data dari berbagai penelitian guna meningkatkan pemahaman kita tentang perkembangan otak.