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Articulo de referencia

Webknossos

Interfaz de usuario de Webknossos para visualizar un conjunto de datos de microscopía electrónica volumétrica desde diferentes ventanas de visualización, incluidos los objetos 3...

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La interfaz de usuario de Webknossos que muestra un conjunto de datos EM volumétricos.
Interfaz de usuario de Webknossos para visualizar un conjunto de datos de microscopía electrónica volumétrica desde diferentes ventanas de visualización, incluidos los objetos 3D reconstruidos de la muestra de tejido subyacente.

Webknossos (estilizado en mayúsculas) es un software de código abierto [ 1 ] y una plataforma en línea para visualizar, anotar y compartir imágenes 3D de gran tamaño, utilizado principalmente por neurocientíficos y biólogos celulares . Es capaz de manejar conjuntos de datos de microscopía de volumen masivo, lo que lo convierte en una herramienta valiosa en el campo de la conectómica .

Creación

Webknossos fue desarrollado por la empresa scalable minds en estrecha colaboración con el Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro , específicamente con el Departamento de Conectómica dirigido por Moritz Helmstaedter. [ 2 ] Fue diseñado para abordar los desafíos del análisis de datos en conectómica. Con el avance de la microscopía electrónica volumétrica (vEM), los conjuntos de datos se han expandido a tamaños que van desde decenas de terabytes (TB) hasta petabytes (PB), lo que hace que la distribución de datos en discos duros físicos a numerosos anotadores sea poco práctica. La plataforma fue concebida para facilitar la anotación de datos 3D eficiente y distribuida para conjuntos de datos de tamaño PB directamente en navegadores web.

Aplicaciones

El software se ha utilizado en diversas aplicaciones para la investigación en neurociencia.

Reconstrucción neuronal

Webknossos facilita la reconstrucción de neuronas tanto dispersas como densas . [ 3 ] Las anotaciones dispersas, generadas con las herramientas de anotación de esqueletos, pueden servir como datos de evaluación para valorar el rendimiento de los modelos de reconstrucción automatizados. Para la reconstrucción de neuronas densas, los investigadores anotan manualmente las neuronas utilizando herramientas de anotación de volumen. Estos datos anotados suelen servir como datos de referencia para el entrenamiento de modelos de aprendizaje automático. [ 4 ] Las herramientas de corrección de Webknossos ayudan a corregir errores de división y fusión mediante un gráfico de supervóxeles.

Estudios de conectómica y mapeo cerebral

Webknossos se ha empleado en varios proyectos de investigación conectómica a microescala. [ 5 ] [ 6 ] Normalmente, tras completar la reconstrucción neuronal, los usuarios realizan la detección automatizada de sinapsis siguiendo un flujo de trabajo similar. Anotan manualmente las sinapsis en Webknossos, entrenan modelos con estos datos y, a continuación, aplican estos modelos a sus conjuntos de datos. Los resultados se comparan con la verdad fundamental y se pueden refinar. Este proceso también se aplica a la identificación del tipo de neurona . Una vez detectadas las sinapsis y los tipos de neuronas, los usuarios pueden generar un conectoma y explorarlo de forma interactiva en Webknossos. La plataforma permite a los usuarios hacer clic en una neurona para listar todos los socios sinápticos y ver cada sinapsis en los datos de microscopía electrónica (ME).

Revisión de reconstrucciones automatizadas

Webknossos se utiliza para corregir errores en reconstrucciones automatizadas de sistemas de aprendizaje profundo . [ 7 ] Las herramientas de corrección proporcionadas permiten a los usuarios explorar células reconstruidas en 3D, identificar errores de fusión o división, examinar detenidamente los errores en los datos de EM y corregir segmentos dividiéndolos o fusionándolos.

Rastreo neuronal

Las herramientas de esqueleto de Webknossos permiten a los usuarios trazar la morfología de las neuronas mediante la creación de árboles con nodos y puntos de ramificación, facilitando así el trazado neuronal detallado . Gracias a su exclusiva función Modo Vuelo, los usuarios pueden trazar axones o dendritas a velocidades significativamente mayores que con los métodos convencionales. [ 2 ]

Publicaciones destacadas

Webknossos se ha utilizado para la anotación y reconstrucción de células de diversas especies, incluyendo ratones, humanos, macacos, drosophila y más. Entre los estudios científicos destacados que publicaron sus conjuntos de datos en acceso abierto en Webknossos se incluyen:

  • Comparación conectómica de la corteza de ratón y humana [ 5 ]
  • Reconstrucción conectómica densa en la capa 4 de la corteza somatosensorial [ 6 ]
  • Inervación específica del tipo celular de las células piramidales corticales en sus dendritas apicales [ 8 ]
  • Un estudio conectómico de un fragmento de petaescala de la corteza cerebral humana [ 9 ]
  • Reconstrucción conectómica de la capa plexiforme interna en la retina del ratón [ 10 ]
  • Mapeo mediante microscopía electrónica de la morfología mitocondrial en las fibras del nervio coclear [ 11 ]

Referencias

  1. ↑ "Webknossos en GitHub" . GitHub .
  2. ^ Boergens , Kevin M; Berning, Manuel; Bocklisch, Tom; Bräunlein, Dominic; Drawitsch, Florian; Frohnhofen, Johannes; Herold, Tom; Otto, Felipe; Rzepka, normando; Werkmeister, Thomas; Werner, Daniel; Wiese, Georg; Wissler, Heiko; Helmstaedter, Moritz (2017). "Webknossos: anotación eficiente de datos 3D en línea para conectómica" . Métodos de la naturaleza . 14 (7): 691– 694. doi : 10.1038/nmeth.4331 . ISSN 1548-7091 . PMID 28604722 .  
  3. ↑ Bosch, Carles; Ackels, Tobias; Pacureanu, Alexandra; Zhang, Yuxin; Peddie, Christopher J.; Berning, Manuel; Rzepka, Norman; Zdora, Marie-Christine; Whiteley, Isabell; Storm, Malte; Bonnin, Anne; Rau, Christoph; Margrie, Troy; Collinson, Lucy ; Schaefer, Andreas T. (2022-05-25). "Investigación estructural 3D funcional y multiescala del tejido cerebral a través de fisiología in vivo correlativa, microtomografía de sincrotrón y microscopía electrónica volumétrica" . Nature Communications . 13 (1): 2923. Bibcode : 2022NatCo..13.2923B . doi : 10.1038/s41467-022-30199-6 . ISSN 2041-1723 . PMC 9132960 . PMID 35614048 .   
  4. ↑ Nguyen, Tri M.; Thomas, Logan A.; Rhoades, Jeff L.; Ricchi, Ilaria; Yuan, Xintong Cindy; Sheridan, Arlo; Hildebrand, David GC; Funke, Jan; Regehr, Wade G.; Lee, Wei-Chung Allen (2023-01-19). "La conectividad cerebelosa estructurada respalda la separación de patrones resiliente" . Nature . 613 ( 7944): 543– 549. Bibcode : 2023Natur.613..543N . doi : 10.1038/s41586-022-05471-w . ISSN 0028-0836 . PMC 10324966. PMID 36418404 .   
  5. 1 2 Loomba, Sahil; Straehle, Jakob; Gangadharan, Vijayan; Heike, Natalie; Khalifa, Abdelrahman; Motta, Alessandro; Ju, Niansheng; Sievers, Meike; Gempt, Jens; Meyer, Hanno S.; Helmstaedter, Moritz (2022-07-08). "Comparación conectómica de la corteza de ratón y humana" . Science . 377 (6602) eabo0924. doi : 10.1126/science.abo0924 . ISSN 0036-8075 . PMID 35737810 .  
  6. 1 2 Motta, Alessandro; Berning, Manuel; Boergens, Kevin M.; Staffler, Benedikt; Beining, Marcel; Loomba, Sahil; Hennig, Philipp; Wissler, Heiko; Helmstaedter, Moritz (2019-11-29). "Reconstrucción conectómica densa en la capa 4 de la corteza somatosensorial" . Science . 366 (6469) eaay3134. doi : 10.1126/science.aay3134 . ISSN 0036-8075 . PMID 31649140 .  
  7. ↑ Yu, Wan-Qing; Swanstrom, Rachael; Sigulinsky, Crystal L.; Ahlquist, Richard M.; Knecht, Sharm; Jones, Bryan W.; Berson, David M.; Wong, Rachel O. (enero de 2023). "Motivos estructurales sinápticos distintivos vinculan las interneuronas retinianas excitatorias con diversos tipos de socios postsinápticos" . Cell Reports . 42 (1) 112006. doi : 10.1016/j.celrep.2023.112006 . PMC 9946794. PMID 36680773 .  
  8. ↑ Karimi, Ali; Odenthal, Jan; Drawitsch, Florian; Boergens, Kevin M; Helmstaedter, Moritz (2020-02-28). " Inervación específica del tipo celular de las células piramidales corticales en sus dendritas apicales" . eLife . 9 e46876. doi : 10.7554/eLife.46876 . ISSN 2050-084X . PMC 7297530. PMID 32108571 .   
  9. ↑ Shapson-Coe, Alexander; Januszewski, Michał; Berger, Daniel R.; Pope, Art; Wu, Yuelong; Blakely, Tim; Schalek, Richard L.; Li, Peter H.; Wang, Shuohong (30 de mayo de 2021). "Un estudio conectómico de un fragmento de petaescala de la corteza cerebral humana". bioRxiv 10.1101/2021.05.29.446289 . 
  10. ↑ Helmstaedter, Moritz; Briggman, Kevin L.; Turaga, Srinivas C.; Jain, Viren; Seung, H. Sebastian; Denk, Winfried (2013-08-08). "Reconstrucción conectómica de la capa plexiforme interna en la retina del ratón" . Nature . 500 (7461): 168– 174. Bibcode : 2013Natur.500..168H . doi : 10.1038/nature12346 . ISSN 0028-0836 . PMID 23925239 .  
  11. ↑ Lu, Yan; Jiang, Yi; Wang, Fangfang; Wu, Hao; Hua, Yunfeng (27-06-2024). "Mapeo microscópico electrónico de la morfología mitocondrial en las fibras del nervio coclear" . Journal of the Association for Research in Otolaryngology . 25 (4): 341– 354. doi : 10.1007/s10162-024-00957-y . ISSN 1438-7573 . PMC 11349726. PMID 38937328 .