Rastreo neuronal

La necesidad de describir o reconstruir la morfología de una neurona probablemente comenzó en los albores de la neurociencia, cuando las neuronas se etiquetaban o visualizaban mediante los métodos de Golgi . Muchos de los tipos de neuronas conocidos, como las neuronas piramidales y las células candelabro , se describieron basándose en su caracterización morfológica. El primer sistema de reconstrucción neuronal asistida por ordenador, ahora conocido como Neurolucida , fue desarrollado por el Dr. Edmund Glaser y el Dr. Hendrik Van der Loos en la década de 1960. ^{[ 9 ]}

Los métodos modernos para rastrear neuronas comenzaron con la adquisición de imágenes digitalizadas de neuronas mediante microscopios. Inicialmente, esto se realizaba en 2D. Poco después del desarrollo de la imagen 3D avanzada, especialmente la imagen de fluorescencia y la imagen de microscopía electrónica , surgió una gran demanda para rastrear la morfología neuronal a partir de estos datos de imagen. Para reconstruir volúmenes 3D de neuronas, un método popular es la microscopía electrónica de secciones seriadas , en la que la muestra se corta en capas delgadas y cada sección se visualiza, lo que da como resultado un conjunto de datos de vóxeles . ^{[ 7 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Los esfuerzos modernos de rastreo neuronal se han completado en volúmenes de vóxeles con una resolución de hasta 4 × 4 × 34 nm ³ y tamaños de bases de datos de más de 1,4 petabytes. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Las neuronas a menudo se pueden rastrear manualmente tanto en 2D como en 3D. Para ello, se puede dibujar directamente la trayectoria de los procesos neuronales en secciones individuales de 2D de un volumen de imagen 3D y conectarlas, o bien utilizar la herramienta de dibujo 3D Virtual Finger , que convierte directamente cualquier trayectoria dibujada en 2D en una imagen de proyección en procesos neuronales 3D reales. La principal limitación del rastreo manual de neuronas es la enorme cantidad de trabajo que implica.

Las reconstrucciones automatizadas de neuronas se pueden hacer usando ajuste y marcha de modelos (por ejemplo, esferas o tubos), ^{[ 14 ]} poda de sobre-reconstrucción, ^{[ 15 ]} conexión de costo mínimo de puntos clave, ráfaga de rayos y muchos otros. ^{[ 16 ]} La esqueletización es un paso crítico en la reconstrucción automatizada de neuronas, pero en el caso de poda de todas las rutas y sus variantes ^{[ 17 ]} se combina con la estimación de parámetros del modelo (por ejemplo, diámetros de tubos). La principal limitación del trazado automatizado es la falta de precisión especialmente cuando la morfología de la neurona es complicada o la imagen tiene una cantidad sustancial de ruido. Los métodos más nuevos también incluyen el uso de redes neuronales convolucionales para segmentar, reconstruir y anotar grandes conjuntos de datos. ^{[ 8 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 18 ] [ 19 ]} Estos modelos de IA se entrenan a partir de la "verdad fundamental" proporcionada por reconstrucciones manuales o semiautomáticas y desde entonces han alcanzado una precisión sobrehumana. ^{[ 20 ] [ 12 ]}

El rastreo neuronal semiautomático suele depender de dos estrategias. Una consiste en realizar un rastreo neuronal completamente automatizado seguido de la revisión manual de dichas reconstrucciones. ^{[ 21 ]} La alternativa es generar información previa, como la ubicación de las terminaciones de una neurona, lo que facilita su rastreo automático. El rastreo semiautomático se considera una solución equilibrada con un tiempo de procesamiento aceptable y una precisión de reconstrucción razonablemente buena. El software de código abierto Vaa3D -Neuron, Neurolucida 360 , Imaris Filament Tracer y Aivia ofrecen ambos tipos de métodos.

Se cree que el trazado de imágenes de microscopía electrónica es más difícil que el trazado de imágenes de microscopía óptica, mientras que este último sigue siendo bastante difícil, según la competición DIADEM . ^{[ 22 ]} Para el trazado de datos de microscopía electrónica, el trazado manual se utiliza con más frecuencia que los métodos alternativos automatizados o semiautomatizados. ^{[ 23 ]} Para el trazado de datos de microscopía óptica, se utilizan con mayor frecuencia los métodos automatizados o semiautomatizados.

Dado que el trazado de imágenes de microscopía electrónica requiere una cantidad considerable de tiempo, el software de trazado manual colaborativo resulta útil. El crowdsourcing es una forma alternativa de recopilar eficazmente resultados de reconstrucción manual colaborativa para dichos conjuntos de datos de imágenes. ^{[ 24 ]}

Existen varias herramientas de rastreo neuronal, especialmente paquetes de software. Un paquete de software de código abierto integral que contiene la implementación de varios métodos de rastreo neuronal desarrollados en diferentes grupos de investigación, así como muchas funciones de utilidad neuronal como medición cuantitativa, análisis y comparación, es Vaa3D y sus módulos Vaa3D-Neuron . Algunas otras herramientas gratuitas como NeuronStudio ^{[ 25 ]} también proporcionan funciones de rastreo basadas en métodos específicos. Los neurocientíficos también utilizan herramientas comerciales como Neurolucida , Neurolucida 360 , Aivia , Amira, etc., para rastrear y analizar neuronas. Un estudio de 2012 muestra que Neurolucida se cita más de 7 veces más que todos los demás programas de rastreo neuronal disponibles combinados ^{[ 26 ]} , y también es el sistema más utilizado y versátil para producir reconstrucción neuronal. ^{[ 27 ]} El proyecto BigNeuron (https://alleninstitute.org/bigneuron/about/) ^{[ 28 ]} es un reciente esfuerzo de colaboración internacional sustancial para integrar la mayoría de las herramientas conocidas de rastreo de neuronas en una plataforma común para facilitar el acceso fácil y de código abierto a varias herramientas en un solo lugar. Se han producido nuevas y potentes herramientas como UltraTracer, ^{[ 29 ]} que pueden rastrear volúmenes de imágenes arbitrariamente grandes, a través de este esfuerzo. La herramienta en línea WEBKNOSSOS tiene un Modo Vuelo para el rastreo de alta velocidad de axones o dendritas, en el que multitudes de anotadores capacitados logran velocidades de rastreo de 1,5 ± 0,6 mm/h para axones y 2,1 ± 0,9 mm/h para dendritas en datos de microscopía electrónica 3D. ^{[ 30 ]}

Las reconstrucciones de neuronas individuales pueden almacenarse en diversos formatos. Esto depende en gran medida del software utilizado para rastrear dichas neuronas. El formato SWC, que consiste en varios compartimentos estructurales conectados topológicamente (por ejemplo, un solo tubo o esfera), se usa frecuentemente para almacenar neuronas rastreadas digitalmente, especialmente cuando la morfología carece de modelos de forma 3D detallados para los compartimentos individuales o no los necesita. Otros formatos de neuronas más sofisticados cuentan con un modelado geométrico separado del cuerpo celular y las prolongaciones neuronales utilizando Neurolucida ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ],} entre otros.

Existen varias bases de datos comunes para la reconstrucción de neuronas individuales. Una base de datos muy utilizada es http://NeuroMorpho.Org ^{[ 34 ]} , que contiene más de 86 000 morfologías neuronales de más de 40 especies, aportadas por diversos laboratorios de investigación de todo el mundo. El Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro , el Campus de Investigación Janelia del HHMI y otros institutos también generan bases de datos de neuronas individuales a gran escala.

Recientemente, también se han puesto a disposición bases de datos de volúmenes neuronales reconstruidos completos. El Atlas del Cerebro del Pez Cebra de Max Planck y su conjunto de datos asociado son el conectoma reconstruido de las 208 neuronas de una larva de pez cebra . ^{[ 35 ]} La base de datos CATMAID contiene el conectoma trazado de un conectoma larvario de Platynereis con 1500 neuronas y 6500 células no neuronales. ^{[ 36 ]} El conectoma Flywire es una reconstrucción y anotación de las aproximadamente 140 000 neuronas anotadas que componen el cerebro de una Drosophila adulta . ^{[ 18 ] [ 37 ]} El conjunto de datos H01 es un milímetro cúbico reconstruido de tejido cerebral humano. ^{[ 13 ]}

También existen numerosas bases de datos de datos neuronales relacionadas, a diferentes escalas .