图像跟踪技术使科学家观察先天与后天在神经干细胞
的一个长期存在的争论在科学,,也许不足为奇的是,渗透到干细胞研究领域,是先天和后天的影响发展的问题。科学在干细胞到目前为止,已经表明,作为存在争论的一方是适用的:自己的命运不是注定的。但是新的研究神经干细胞研究所和德雷塞尔大学的工程学院表明细胞的横膈可能不一样拉莎正如我们所相信的。
在一篇发表在最新版的干细胞的报道,研究人员目前的视频证据来支持他们的发现不同的内在差异干细胞发现老鼠的大脑中。通过延时成像相同的细胞培养在体外环境中,研究人员能够识别不同的增长,运动和分化干细胞之间存在两种不同的大脑区域。
神经——先天与后天
大脑皮层是大脑的控制中心,关心思想、记忆和控制我们的行为。它分为地区专用功能。后或整合视觉刺激大脑皮层的眼睛和决定我们的反应通过发送信号到anterior-the前部控制我们的运动。视觉皮层和运动皮层都是分层结构,每个都包含数以百万计的神经元网络在复杂的电路。在开发过程中胚胎,皮层创建的每一个部分从神经干细胞和祖细胞。
关键神经科学研究中悬而未决的问题是视觉和运动皮层区域是由神经干细胞本身独特的和有图案的产生细胞内在每个区域的项目,还是祖细胞本质上是相同的,但依靠环境开拓独特的细胞信号和连接在每一个最后的皮层区域。理解的机制控制干细胞生产不仅是重要的对于理解人类发展,而且对学习如何使用干细胞再生医学和制定新的癌症疗法。
要回答这个问题,莎莉殿博士和她的研究小组在神经干细胞研究所研究单一神经干细胞的胚胎小鼠大脑皮层前部和后部。他们为细胞提供了一个相同的环境在组织文化中,然后延时的电影如何分裂和分化成皮质细胞。
“如果古老的问题的答案是,事实上,“后天”这些细胞会表现相同,考虑到相同的环境中,“殿说。“但如果答案是“自然”,然后他们的行为会有所不同。这实际上是我们found-anterior后干细胞本质上相当不同。”
前干细胞,形成运动皮层,观察将较为缓慢,并产生较小的克隆干细胞来源于posterior-which相比增长形成了视觉皮层。这意味着这些皮质祖细胞different-even在发展的早期阶段,这些差异可能有助于解释的皮层区域发展成专业结构。
跟踪细胞延时
这一发现可能是由一组强大的生物跟踪程序,计算图像序列分析实验室开发的由安德鲁•科恩博士,副教授德雷克塞尔大学的工程,自动化的过程分析成千上万的延时图像。程序,称为杠杆和CloneView,可以追踪的增长,运动和增殖细胞和使用此信息来视觉增强延时电影和生产整个家谱谱系树,在细胞生物学parlance-for每个细胞。
计算图像分析程序开发德雷克塞尔可以自动识别、描述和跟踪细胞显微图像(上)(下)。信贷:德雷克塞尔
“任务是巨大的,”殿说。“我们需要遵循上百延时显微神经干细胞,并确定每一个部门和每一个后代的结果增加。”
杆,缩短从血统编辑和验证、过程的原始图像,带着对他们的大小和形状基本知识,试图在每一帧定位和标记的细胞。
“基本算法寻找组的像素有正确的外观和在正确的位置是我们跟踪的细胞,”科恩说。“从那开始,我们使用其他算法多次反复核对结果,直到我们近99%确保杆已经确定在所有这些照片,事实上细胞。”
细胞和它们相应的出现在每一帧独特的标记,CloneView程序可以告诉研究人员细胞正以多快的速度移动,当他们divide-noted杆当有一个以前未标记细胞。此信息用于自动生成细胞的谱系树,进而给出了程序,和研究人员,另一种方法来检查错误。
人类接触
显示在CloneView,延时的电影一个干细胞由独特的颜色覆盖的轮廓内部边界。最终它生长和分裂,新细胞是划定不同的颜色。每种颜色对应于细胞谱系树的节点,这是显示在一个单独的框架下电影。这给科恩的研究助理快速检查视频,确保杆正确识别细胞和他们的后代。
一旦被人类的眼睛里,图片再次通过程序运行的更精确的描述细胞这过程尤其艰苦当跟踪干细胞长期以来,因为他们经常太阳神附件名为过程可以看起来像一个独立的单元。
“人类验证是一个非常重要的过程的一部分。我们仍然是最准确的判断,当细胞分裂,”Cohen说。“通过运行延时图像通过程序得到一个输出视频,视觉上很容易验证。随着这些修正,程序可以自动发现相关的错误和修复。关键是要减少所需的努力从人类。”
团队已经报告错误率低于百分之二的视频。
“处理这么多的视觉数据意味着我们可以做一些真正准确陈述这些细胞的本质,但这也意味着我们需要非常高效的方式处理数据挤出这一信息,“10.1016 / j.stemcr.2015.08.002说,科恩博士研究生的实验室和一个论文的合著者。
大数据驱动大发现
算法的最终结果标签,跟踪和排序是160个人延时视频记录五天神经干细胞的生活。堆积如山的蒸馏数据格式,研究人员可以更容易地让立即观察和测试他们的理论对一个强大的数据集。
CloneView程序可视化增强延时显微视频和大纲的细胞移动,生长和分裂,同时记录每个部门在一个家族树。信贷:德雷克塞尔
“这是160个视频显示增强的视觉数据从图像的每一个细胞每五分钟五天,”Cohen说。”这就是你最终得到的大量的数据,如350字节处理。这就是为什么这样的程序是一个强大的工具为微生物学家。”
如此强大,事实上,据庙,发现这个大小是不可能没有这种自动化分析的时间相位对比图像。
“当你如此规模的处理成像数据有一个相当大的瓶颈分析时,“殿说。“这可能是可行的比较手工克隆的大小,但分析他们的运动,生命周期和跟踪他们的家族树十分艰巨,我们甚至不会考虑进行这种分析杠杆和CloneView没有先进的加工程序。他们不仅能在短时间内处理大量的数据的时候,他们生产的信息,我们可以验证和信任。发现必须建立在这样的基础上精心研究进行验证。”
一起工作
作为论文的一部分,科恩和寺庙是出版他们所有的干细胞可以通过在线的数据文件CloneView。此外,杠杆和CloneView科恩的所有源代码,都是免费的可以下载。这种开放获取科学研究人员是很重要的,因为他们相信这将有助于推进干细胞研究领域,和所使用的技术。
“神奇的事情是我们正在做大量的数据公开,”科恩说。“这是可能的,许多更有趣的发现可能来自数据集由于CloneView或者一个更好的计划,有人提出了用我们的源代码作为开始。伟大的事情是有可能通过开源合作。”
例如,科恩征求他的同事Uri Hershberg,博士,助理教授和Herschberg博士生贾斯汀Melunis,德雷克塞尔的生物医学工程学院科学和卫生系统,是第一个生物信息学研究人员使用干细胞CloneView中的数据。他们详细的运动特征,增长和克隆,因为它的大小是不相同的跨代也也发表在《paper-helped查明前部和后部细胞之间的区别。
“既然CloneView在线,纽约和费城队可以在这个独特的数据集在一起,这有助于加快研究,“殿说。“这些项目将自动化和人工验证给了我们最好的、最准确的信息,以此为基础的结论。”
科恩称,计划是他们的力量使用自动化和机器学习来最大化用户的交互,使深思熟虑的协作在整个研究过程中。CloneView是一个开源的、基于web的项目现在是可行的,世界各地的研究人员获得这个数据集。
未来应用杠杆和CloneView科恩计划包括研究肿瘤细胞和免疫系统细胞。新视觉数据,包括额外成像渠道和层次的复杂性,这些项目将引导研究人员新发现的行为健康和病变细胞。
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出版
科恩基于“增大化现实”技术et al。计算图像分析揭示了内在各个年代的前和后大脑皮层神经祖细胞之间的差异。干细胞的报道,网上公布2015年9月3日。doi: 10.1016 / j.stemcr.2015.08.002
