Анализ активности нейронной сети гиппокампа in vivo методом миниатюрной флуорсецентной микроскопии при неврологических патологиях
- Авторы: Герасимов Е.И.1, Митенев А.В.2, Пчицкая Е.И.2, Чуканов В.С.2, Безпрозванный И.Б.2,3
-
Учреждения:
- Санкт-Петербургский Политехнический университет им. Петра Великого
- Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
- University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 763-766
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://ogarev-online.ru/2313-1829/article/view/256329
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623334
- ID: 256329
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Миниатюрная флуоресцентная микроскопия — это метод, который позволяет нейробиологам визуализировать и регистрировать нейронную активность определённой области мозга in vivo у свободно передвигающихся животных [1]. Использование минископа может стать новым подходом к получению массивных данных о структуре, функционировании и организации нейронной сети интересующей структуры на уровне in vivo [2, 3]. Таким образом, минископ можно было бы использовать также для определения изменений, происходящих из-за патологических состояний, таких как припадки, нейродегенеративные заболевания и когнитивные последствия, связанные с перенесённой вирусной инфекцией, например вирусом гриппа. Данные, полученные с помощью миниатюрной флуоресцентной микроскопии, содержат информацию о сотнях одновременно зарегистрированных нейронов с их исходными связями и функциональными свойствами. Чтобы перейти от качественного анализа записанных данных к количественному, наша группа разработала набор инструментов с открытым исходным кодом Minian [4]. Он предоставляет возможность получать статистические метрики из обработанный записи, полученной с помощью минископа. С помощью самостоятельно разработанного инструментария в текущем исследовании было определено состояние нейронной сети в нормальных условиях в тесте «Открытое поле».
В текущем исследовании была проведена инъекция вируса AAV-GCaMP6f в гиппокамп 5-месячным диким мышам линии B6SJL, и через 3 нед над областью интереса (гиппокампом) была имплантирована градиентная линза с последующей фиксацией опорной площадки. Изменения уровня кальция регистрировали с помощью Miniscope V3 в тесте «Открытое поле». Для количественного анализа полученных данных об активности нейронов был разработан программный пакет, как уже упоминалось выше. В результате было определено, что в течение нескольких дней наиболее стабильными статистическими метриками были коэффициент корреляции Пирсона для метода активного состояния (значения коэффициента корреляции, который основан на бинаризованных данных сегментации активной фазы) и уровень сетевой активности (доля подключённых нейронов в зависимости от уровня, определяющего наличие подключения), который был практически неизменяемым в течение пяти дней записи. Более того, метод PCA, применённый к рассчитанным статистическим метрикам, показал очень тесную взаимосвязь между координатами, описывающими активность нейронной сети гиппокампа в нормальных условиях, в течение пяти дней теста.
Мы предполагаем, что использование метода миниатюрной флуоресцентной микроскопии при количественном анализе может быть очень полезным инструментом для выявления сдвигов в нейронных сетях в случае прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера [5], а также выявления возможных изменений после неврологических осложнений вирусных инфекций и т.д.
Полный текст
Миниатюрная флуоресцентная микроскопия — это метод, который позволяет нейробиологам визуализировать и регистрировать нейронную активность определённой области мозга in vivo у свободно передвигающихся животных [1]. Использование минископа может стать новым подходом к получению массивных данных о структуре, функционировании и организации нейронной сети интересующей структуры на уровне in vivo [2, 3]. Таким образом, минископ можно было бы использовать также для определения изменений, происходящих из-за патологических состояний, таких как припадки, нейродегенеративные заболевания и когнитивные последствия, связанные с перенесённой вирусной инфекцией, например вирусом гриппа. Данные, полученные с помощью миниатюрной флуоресцентной микроскопии, содержат информацию о сотнях одновременно зарегистрированных нейронов с их исходными связями и функциональными свойствами. Чтобы перейти от качественного анализа записанных данных к количественному, наша группа разработала набор инструментов с открытым исходным кодом Minian [4]. Он предоставляет возможность получать статистические метрики из обработанный записи, полученной с помощью минископа. С помощью самостоятельно разработанного инструментария в текущем исследовании было определено состояние нейронной сети в нормальных условиях в тесте «Открытое поле».
В текущем исследовании была проведена инъекция вируса AAV-GCaMP6f в гиппокамп 5-месячным диким мышам линии B6SJL, и через 3 нед над областью интереса (гиппокампом) была имплантирована градиентная линза с последующей фиксацией опорной площадки. Изменения уровня кальция регистрировали с помощью Miniscope V3 в тесте «Открытое поле». Для количественного анализа полученных данных об активности нейронов был разработан программный пакет, как уже упоминалось выше. В результате было определено, что в течение нескольких дней наиболее стабильными статистическими метриками были коэффициент корреляции Пирсона для метода активного состояния (значения коэффициента корреляции, который основан на бинаризованных данных сегментации активной фазы) и уровень сетевой активности (доля подключённых нейронов в зависимости от уровня, определяющего наличие подключения), который был практически неизменяемым в течение пяти дней записи. Более того, метод PCA, применённый к рассчитанным статистическим метрикам, показал очень тесную взаимосвязь между координатами, описывающими активность нейронной сети гиппокампа в нормальных условиях, в течение пяти дней теста.
Мы предполагаем, что использование метода миниатюрной флуоресцентной микроскопии при количественном анализе может быть очень полезным инструментом для выявления сдвигов в нейронных сетях в случае прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера [5], а также выявления возможных изменений после неврологических осложнений вирусных инфекций и т.д.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда № 21-15-00051.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
Е. И. Герасимов
Санкт-Петербургский Политехнический университет им. Петра Великого
Автор, ответственный за переписку.
Email: evgeniigerasimov1997@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
А. В. Митенев
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Email: evgeniigerasimov1997@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
Е. И. Пчицкая
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Email: evgeniigerasimov1997@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
В. С. Чуканов
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Email: evgeniigerasimov1997@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург
И. Б. Безпрозванный
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas
Email: evgeniigerasimov1997@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург; Даллас, США
Список литературы
- Barry J., Oikonomou K.D., Peng A., et al. Dissociable effects of oxycodone on behavior, calcium transient activity, and excitability of dorsolateral striatal neurons // Front Neural Circuits. 2022. Vol. 16. P. 983323. doi: 10.3389/fncir.2022.983323
- Aharoni D., Hoogland T.M. Circuit Investigations with open-source miniaturized microscopes: past, present and future // Front Cell Neurosci. 2019. Vol. 13. P. 141. doi: 10.3389/fncel.2019.00141
- Gerasimov E.I., Erofeev A.I., Pushkareva S.A., et al. Miniature fluorescent microscope: history, application, and data processing // Zhurnal Vysshei Nervnoi Deyatelnosti imeni I.P. Pavlova. 2020. Vol. 70, N 6. P. 852–864. doi: 10.31857/S0044467720060040
- Dong Z., Mau W., Feng Y., et al. Minian, an open-source miniscope analysis pipeline // Elife. 2022. Vol. 11. P. e70661. doi: 10.7554/eLife.70661
- Bezprozvanny I. Biochemical and biophysical research communications alzheimer’s disease — where do we go from here? // Biochem Biophys Res Commun. 2022. Vol. 633. P. 72–76. doi: 10.1016/j.bbrc.2022.08.075
Дополнительные файлы
