Connectomics - Connectomics
Connectomics je výroba a studium konektomy: komplexní mapy připojení v rámci organismus je nervový systém, obvykle jeho mozek nebo oko. Protože tyto struktury jsou extrémně složité, používají metody v tomto oboru a vysoká propustnost aplikace neurálního zobrazování a histologické techniky za účelem zvýšení rychlosti, efektivity a rozlišení map mnoha nervových spojení v a nervový systém. Zatímco hlavním zaměřením takového projektu je mozek, jakákoli neurální spojení by mohla být teoreticky mapována konektomikou, například neuromuskulární spojení.[1] Tato studie je někdy označována svým předchozím názvem hodologie.
Nástroje
Jedním z hlavních nástrojů používaných pro výzkum konektomiky na úrovni makroúrovně je difúzní MRI.[2] Hlavním nástrojem pro výzkum konomomiky na úrovni mikroškálek je chemická ochrana mozku následovaná 3D elektronová mikroskopie,[3] používá rekonstrukce nervového obvodu. Korelační mikroskopie, který kombinuje fluorescenci s 3D elektronovou mikroskopií, má za následek více interpretovatelných dat, protože je schopen automaticky detekovat specifické typy neuronů a může je sledovat jako celek pomocí fluorescenčních markerů.[4]
Chcete-li vidět jeden z prvních mikro-konektomů v plném rozlišení, navštivte stránku Otevřete projekt Connectome, která hostí několik datových sad connectome, včetně 12TB datové sady od Bock et al. (2011).
Modelové systémy
Kromě lidský mozek, některé z modelových systémů používaných pro výzkum connectomiky jsou myš,[5] the ovocný let,[6][7] the hlístice C. elegans,[8][9] a Sova pálená.[10]
Aplikace
Porovnáním nemocných konektomů a zdravých konekomomů bychom měli získat vhled do určitých psychopatologií, jako je např neuropatická bolest a potenciální terapie pro ně. Obecně pole neurovědy prospěla by jim standardizace a nezpracovaná data. Například connectome mapy mohou být použity k informování výpočetních modelů dynamiky celého mozku.[11] Současné neuronové sítě se většinou spoléhají na pravděpodobnostní reprezentace vzorů konektivity.[12] Connectogramy (kruhové diagramy konektomiky) byly použity v traumatické zranění mozku případy dokumentující rozsah poškození neuronových sítí.[13][14]
Na lidský konektom lze pohlížet jako na graf a bohaté nástroje, definice a algoritmy Teorie grafů lze použít na tyto grafy. Szalkai et al., Srovnávající konexomy (nebo braingrafy) zdravých žen a mužů[15][16] ukázaly, že v několika hlubokých graficko-teoretických parametrech je strukturní spojomat žen významně lépe propojen než u mužů. Například dámský konektom má více hran, větší minimální šířku bipartice, větší eigengap, větší minimum vrcholový kryt než u mužů. Minimální šířka bipartice (nebo jinými slovy minimální vyvážená) střih ) je známým měřítkem kvality počítače vícestupňové propojovací sítě, popisuje možná úzká místa v síťové komunikaci: Čím vyšší je tato hodnota, tím lepší je síť. Větší eigengap ukazuje, že ženská spojka je lepší expandér graf než spojka mužů. Čím lépe rozšiřující se vlastnost, tím vyšší je minimální šířka bipartice a větší minimum vrcholový kryt ukázat hluboké výhody v síťovém připojení v případě ženského braingrafu.
Lidské konektomy mají individuální variabilitu, kterou lze měřit pomocí kumulativní distribuční funkce, jak bylo uvedeno v.[17] Analýzou individuální variability lidských kondomomů v odlišných mozkových oblastech bylo zjištěno, že frontální a limbické laloky jsou konzervativnější a okraje v temporálních a okcipitálních lalocích jsou rozmanitější. „Hybridní“ konzervativní / různorodá distribuce byla detekována v paracentrálním laloku a fusiformním gyrusu. Rovněž byly hodnoceny menší kortikální oblasti: bylo zjištěno, že precentrální gyri jsou konzervativnější a postcentrální a horní temporální gyri jsou velmi různorodé.
Srovnání s genomikou
The projekt lidského genomu zpočátku čelil mnoha výše uvedeným kritikám, ale přesto byl dokončen před plánovaným časem a vedl k mnoha pokrokům v genetice. Někteří argumentovali, že mezi genomikou a konektomikou lze vytvářet analogie, a proto bychom měli být ohledně perspektiv konektomiky alespoň o něco optimističtější.[18] Jiní kritizovali pokusy o mikroskopický konektom s tím, že nemáme dostatek znalostí o tom, kde hledat poznatky, nebo že jej nelze dokončit v realistickém časovém rámci.[19]
Eyewire hra
Eyewire je online hra vyvinutá americkým vědcem Sebastian Seung z Univerzita Princeton. Využívá to sociální práce na počítači pomoci zmapovat konomeome mozku. Přilákal více než 130 000 hráčů z více než 100 zemí.
Viz také
Reference
- ^ Boonstra, Tjeerd W .; Danna-Dos-Santos, Alessander; Hong-Bo, Xie .; Roerdink, Melvyn; Stins, John F .; Breakspear, Michaele (2015). „Svalové sítě: Analýza konektivity aktivity EMG během posturální kontroly“. Vědecké zprávy. 5: 17830. Bibcode:2015NatSR ... 517830B. doi:10.1038 / srep17830. PMC 4669476. PMID 26634293.
- ^ Wedeen, V.J .; Wang, R.P .; Schmahmann, J.D .; Benner, T .; Tseng, W.Y.I .; Dai, G .; Pandya, D.N .; Hagmann, P .; et al. (2008). „Difrakční spektrum zobrazování magnetickou rezonancí (DSI) křížení vláken“. NeuroImage. 41 (4): 1267–77. doi:10.1016 / j.neuroimage.2008.03.036. PMID 18495497.
- ^ Anderson, JR; Jones, BW; Watt, CB; Shaw, MV; Yang, JH; Demill, D; Lauritzen, JS; Lin, Y; et al. (2011). „Zkoumání sítnicového konektomu“. Molekulární vidění. 17: 355–79. PMC 3036568. PMID 21311605.
- ^ BV, DELMIC. "Neuroscience: Synaptická konektivita v mozku zpěvného ptáka - aplikační poznámka | DELMIC". request.delmic.com. Citováno 2017-02-16.
- ^ Bock, Davi D .; Lee, Wei-Chung Allen; Kerlin, Aaron M .; Andermann, Mark L .; Hood, Greg; Wetzel, Arthur W .; Yurgenson, Sergey; Soucy, Edward R .; et al. (2011). "Síťová anatomie a fyziologie in vivo zrakových kortikálních neuronů". Příroda. 471 (7337): 177–82. Bibcode:Natur.471..177B. doi:10.1038 / nature09802. PMC 3095821. PMID 21390124.
- ^ Chklovskii, Dmitri B; Vitaladevuni, Shiv; Scheffer, Louis K (2010). "Poloautomatická rekonstrukce nervových obvodů pomocí elektronové mikroskopie". Aktuální názor v neurobiologii. 20 (5): 667–75. doi:10.1016 / j.conb.2010.08.002. PMID 20833533.
- ^ Zheng, Z (2018). „Kompletní objem elektronové mikroskopie mozku dospělých Drosophila melanogaster“. Buňka. 174 (3): 730–743. doi:10.1016 / j.cell.2018.06.019. PMC 6063995. PMID 30033368.
- ^ Chen, B.L .; Hall, D. H .; Chklovskii, D. B. (2006). „Optimalizace zapojení může souviset se strukturou a funkcí neuronů“. Sborník Národní akademie věd. 103 (12): 4723–8. Bibcode:2006PNAS..103.4723C. doi:10.1073 / pnas.0506806103. PMC 1550972. PMID 16537428.
- ^ Perez-Escudero, A .; Rivera-Alba, M .; De Polavieja, G. G. (2009). "Struktura odchylek od optimality v biologických systémech". Sborník Národní akademie věd. 106 (48): 20544–9. Bibcode:2009PNAS..10620544P. doi:10.1073 / pnas.0905336106. PMC 2777958. PMID 19918070.
- ^ Pena, JL; Debello, WM (2010). „Sluchové zpracování, plastičnost a učení ve sově pálené“. ILAR Journal. 51 (4): 338–52. doi:10.1093 / ilar.51.4.338. PMC 3102523. PMID 21131711.
- ^ http://www.scholarpedia.org/article/Connectome[nespolehlivý lékařský zdroj? ][trvalý mrtvý odkaz ][self-publikoval zdroj? ]
- ^ Nordlie, Eilen; Gewaltig, Marc-Oliver; Plesser, Hans Ekkehard (2009). Friston, Karl J. (ed.). „Směrem k reprodukovatelným popisům modelů neuronových sítí“. PLoS výpočetní biologie. 5 (8): e1000456. Bibcode:2009PLSCB ... 5E0456N. doi:10.1371 / journal.pcbi.1000456. PMC 2713426. PMID 19662159.
- ^ Van Horn, John D .; Irimia, A .; Torgerson, C.M .; Chambers, M.C .; Kikinis, R .; Toga, A.W. (2012). „Mapování poškození konektivity v případě Phineas Gage“. PLOS ONE. 7 (5): e37454. Bibcode:2012PLoSO ... 737454V. doi:10.1371 / journal.pone.0037454. PMC 3353935. PMID 22616011.
- ^ Irimia, Andrei; Chambers, M.C .; Torgerson, C.M .; Filippou, M .; Hovda, D. A.; Alger, J. R.; Gerig, G .; Toga, A.W .; Vespa, P.M .; Kikinis, R .; Van Horn, J.D. (6. února 2012). „Vizualizace konektomiky přizpůsobená pacientům pro hodnocení atrofie bílé hmoty při traumatickém poranění mozku“. Hranice v neurologii. 3: 10. doi:10.3389 / fneur.2012.00010. PMC 3275792. PMID 22363313.
- ^ Szalkai, Balazs; Varga, Balint; Grolmusz, Vince (2015). „Grafická teoretická analýza odhaluje: mozek žen je lépe propojen než mužský“. PLOS ONE. 10 (7): e0130045. arXiv:1501.00727. Bibcode:2015PLoSO..1030045S. doi:10.1371 / journal.pone.0130045. PMC 4488527. PMID 26132764.
- ^ Szalkai, Balázs; Varga, Bálint; Grolmusz, Vince (2017). „Graficky teoretické parametry kompenzované zkreslením velikosti mozku jsou také lepší ve strukturálních spojkách žen“. Zobrazování a chování mozku. 12 (3): 663–673. doi:10.1007 / s11682-017-9720-0. ISSN 1931-7565. PMID 28447246.
- ^ Kerepesi, Csaba; Szalkai, Balázs; Varga, Bálint; Grolmusz, Vince (2018). „Comparative connectomics: Mapping the inter-individual variability of connections within the regions of the human brain“. Neurovědy Dopisy. 662 (1): 17–21. arXiv:1507.00327. doi:10.1016 / j.neulet.2017.10.003. PMID 28988973.
- ^ Lichtman, J; Sanes, J (2008). „Ome sweet ome: co nám může genom říci o konomeome?“. Aktuální názor v neurobiologii. 18 (3): 346–53. doi:10.1016 / j.conb.2008.08.010. PMC 2735215. PMID 18801435.
- ^ Vance, Ashlee (27. prosince 2010). „Seeking the Connectome, a Mental Map, Slice by Slice“. The New York Times.
Další čtení
- Hagmann, Patric; Cammoun, Leila; Gigandet, Xavier; Meuli, Reto; Zlato, Christopher J .; Wedeen, Van J .; Sporns, Olaf (2008). Friston, Karl J. (ed.). „Mapování strukturního jádra lidské mozkové kůry“. PLoS Biology. 6 (7): e159. doi:10.1371 / journal.pbio.0060159. PMC 2443193. PMID 18597554. Shrnutí ležel.