Блог

Jun 07, 2024

Открытый ресурс, объединяющий множество

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4320 (2023) Цитировать эту статью 4106 Доступов 81 Подробности об альтернативных метриках Понимание структуры и функций мозга часто требует объединения данных

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4320 (2023) Цитировать эту статью

4106 Доступов

81 Альтметрика

Подробности о метриках

Понимание структуры и функций мозга часто требует объединения данных из разных модальностей и масштабов, чтобы связать микромасштабные клеточные структуры с макромасштабными особенностями организации всего мозга. Здесь мы представляем набор данных BigMac, ресурс, сочетающий в себе МРТ in vivo, расширенную посмертную МРТ и мультиконтрастную микроскопию для мультимодальной характеристики единого целого мозга макаки. Данные охватывают модальности (МРТ и микроскопия), состояния тканей (in vivo и посмертно) и четыре порядка пространственных величин: от изображений микроскопа с разрешением микрометра или субмикрометра до сигналов МРТ порядка миллиметров. Крайне важно, что изображения МРТ и микроскопии тщательно совмещены вместе, чтобы облегчить количественный мультимодальный анализ. Здесь мы подробно рассказываем о сборе, хранении и первом выпуске данных, которые вместе делают BigMac уникальным, открыто распространяемым ресурсом, доступным исследователям по всему миру. Кроме того, мы демонстрируем примеры анализа и возможности, предоставляемые этими данными, включая улучшение оценок связности с помощью диффузионной МРТ со сверхвысоким угловым разрешением, нейроанатомическую информацию, обеспечиваемую визуализацией в поляризованном свете и гистологией, окрашенной миелином, а также совместный анализ данных МРТ и микроскопии для реконструкция коннектома, основанного на микроскопии. Все данные и код выложены в открытый доступ.

Наши возможности охарактеризовать связи мозга значительно расширились благодаря открытому доступу научного сообщества к большим данным. Большие данные могут использовать большие когорты для изучения как меж-, так и внутрисубъектной изменчивости (например, Британский биобанк1 или проект Human Connectome2), или стремиться охарактеризовать отдельный мозг в мельчайших деталях3. Здесь мы представляем «Набор данных BigMac» — большие данные в мозге макака — ресурс, который сочетает в себе МРТ in vivo с обширной посмертной МРТ и данными многоконтрастной микроскопии всего мозга в одном мозге макаки. BigMac состоит из данных in vivo, полученных в ходе нескольких сеансов, более 270 часов посмертного МРТ-сканирования, более 1000 часов сбора данных микроскопии и нескольких терабайт необработанных данных.

Набор данных BigMac объединяет мультимодальные данные МРТ и микроскопии для четкого решения проблем чувствительности и специфичности МРТ. МРТ — мощный неинвазивный метод, который может дать информацию о структуре и функциях всего мозга, что, в свою очередь, может быть связано с когнитивными способностями, поведением или медицинскими результатами. Однако МРТ также сталкивается с рядом ограничений. Сигналы in vivo обычно зашумлены и искажены артефактами из-за физиологических эффектов и технических проблем, связанных с аппаратными ограничениями или требованиями короткого времени сканирования. Кроме того, сигналы МРТ часто являются косвенным показателем интересующих особенностей мозга, что затрудняет интерпретацию. Диффузионная МРТ отображает микроскопическое движение молекул воды, когда они хаотично движутся через ткань, чтобы сделать вывод о структурной связи или изменениях в клеточной морфологии. Этот анализ требует сложного компьютерного моделирования сигналов со многими строгими предположениями о том, как микроструктура ткани связана с диффузионным сигналом, который, если он неточен, может исказить выходные данные модели. Важно отметить, что измерения усредняются по миллиметрам ткани, поэтому сделать выводы о структуре или функциях мозга в микрометровом масштабе сложно, если не сказать некорректно. Следовательно, характеристика коннектома с использованием только МРТ сталкивается со значительными ограничениями.

Альтернативно, данные коннектома можно получить с помощью световой микроскопии, которая часто используется для изучения структуры мозга с разрешением микрометра или субмикрометра. Обычно срезы тонких тканей обрабатываются для визуализации конкретных клеточных структур, где этот подход с высокой «специфичностью» находит применение от базовой нейроанатомии до механизмов заболеваний. Однако микроскопия часто ограничивается исследованием небольших срезов тканей ex vivo и, таким образом, имеет ограниченное применение in vivo. Тем не менее, когда микроскопия сочетается с МРТ, это дает возможность для многомасштабной нейробиологии, связывая микроскопические клеточные процессы с макроскопическими сигналами МРТ.