CC BY
5УДК 612.843
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ РЕТИНОТОПИЧЕСКИХ ЗОН НА ГИСТОЛОГИЧЕСКИХ СРЕЗАХ СЛОИСТЫХ СТРУКТУР
DOI
Шкорбатова П. Ю., Ляховецкий В. А., Меркульева Н. С., Алексеенко С. В.
ФГБУН Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН, Санкт-Петербург, Россия e-mail: polinavet@yandex.ru
Аннотация: Разработан способ выявления неоднородности нейронных структур мозга по результатам автоматизированного анализа морфо-метрических и пространственных характеристик в последовательности сегментов этих структур, выделенных на гистологических срезах.
Ключевые слова: анализ изображений, гистологические срезы, наружное коленчатое тело, бинокулярное зрение.
Одним из фундаментальных этапов анализа гистологических изображений является сегментация, локальная, при которой в изображении выделяются некоторые отдельные известные структуры (например, ядра клеток), или глобальная, при которой изображение разбивается на информативные зоны [1]. Глобальная сегментация может проводиться как вручную, специалистом, так и автоматическом режиме. В последнем случае на основе априорной информации об исследуемом органе или ткани подбирается структура "сеток", разбивающая его на некоторые сегменты [2]. Далее узлы этих сеток могут быть модифицированы в интерактивном режиме [3].
Среди нейронных структур головного мозга основным проекционным таламическим ядром, через которое в зрительную кору поступает 90 % информации, является наружное коленчатое тело. Нейроны, расположенные в различных слоях дорсального ядра НКТ (НКТд), монокулярны, то есть получают входы либо от сетчатки левого, либо от сетчатки правого глаза. При этом НКТд организовано ретинотопически: участки, близкие к центральному вертикальному меридиану (ЦВМ) поля зрения, проецируются в медиальную об-
ласть ядра, а удаленные от ЦВМ — в латеральную область; представительство центрального горизонтального меридиана находится в средней части НКТд, при этом верх поля зрения проецируется в каудальную часть НКТд, а низ поля зрения — в ростральную [4, 5]. Такая ретинотопически упорядоченная слоистая структура делает НКТд удобным объектом для выявления различий во влияниях разных форм нарушений бинокулярного зрительного опыта на монокулярные зрительные пути.
Известно, что нарушения бинокулярного зрительного опыта, такие как косоглазие или монокулярная депривация, по-разному влияют на зрительные функции в различных частях поля зрения [6—8]. Гистологические характеристики различных участков слоев НКТд при таких нарушениях также различаются: в слоях, получающих информацию из депривированного или отклоненного глаза, уменьшается размер нейронов, меняется плотность их распределения [6, 7, 9, 10], а также снижается яркость окрашивания тел нейронов и нейропиля [6, 7, 11], что свидетельствует об изменении их функции. В связи с этим возникла необходимость разработать способ анализа гистологических характеристик слоев НКТд в зависимости от эксцентриситета.
I-латералы-ю
Рис. 1. А — изображение фронтального среза НКТд, окрашенного при помощи антител SMI-32, с нанесенными на него внешними границами слоев А и А1 и границы между слоями А и А1. Градусы эксцентриситета указаны на основании ретинотопических карт Сандерсона [Sanderson, 1971]; Б — Разбиение слоев А и А1 НКТд на сегменты (см. текст).
Поскольку НКТд имеет сложную трехмерно изогнутую форму, форма слоев А и А1 на фронтальном срезе различается в зависимости от рострокаудального положения такого среза в пределах НКТд. Слои в ростральной части НКТд, в которых представлен низ поля
зрения, имеют изогнутую форму, тогда как слои в средней и кау-дальной частях НКТд имеют прямолинейные границы [5]. При этом подходящие модели генерации сеток для сегментации НКТд отсутствуют. Сегментирование таких срезов с помощью известных программных средств, представленных в [3], также затруднено за отсутствием объективных критериев выделения сегментов в полуавтоматическом режиме.
Для разрешения этой проблемы нами был разработан способ, позволяющий выделять популяции нейронов в нейронных структурах, имеющих на гистологических срезах границы любой кривизны. Рассмотрим сущность способа на примере анализа срезов НКТд.
На замороженных фронтальных срезах НКТд кошки выявляли иммуногистохимически тела нейронов при помощи моноклональ-ных антител 8М1-32, которые связываются с нефосфорилирован-ными доменами тяжелого белка нейрофиламентов — одного из основных элементов цитоскелета нейронов — и маркируют, в основном, нейроны У-типа [Вита! е! а1., 2012]. На оцифрованных изображениях срезов НКТд с помощью различных графических маркеров отмечали вручную внешние границы слоя А и А1, внутреннюю границу между этими слоями, а также окрашенные нейроны (рис. 1 А). Выделенные границы автоматически аппроксимировали наборами прямолинейных отрезков. Полученные наборы отрезков были разделены на заданное количество фрагментов равной длины. Внешние вершины фрагментов нумеровались слева направо для каждого из слоев (в данном примере, от 1 до 11, см. рис. 1 Б). Затем эти внешние вершины, имеющие в слоях А и А1 одинаковые порядковые номера, соединялись между собой. В результате каждый из слоев НКТд оказывался автоматически разбит на заданное (в данном примере, десять) число сегментов (рис. 1 Б). Форма сегментов была подобна форме ретинотопических зон, приведенных на картах [5]: популяция нейронов каждого из секторов образовывала искомую ретинотопическую зону. В каждой такой зоне (сегменте) автоматически подсчитывается количество нейронов, удаленность каждого нейрона от границ слоев, а также площадь сегмента и средняя яркость сегмента. Полученные данные можно использовать для сравнения изменений в участках одного слоя с разным эксцентриситетом, а также участках разных слоев с одинаковым эксцентриситетом. Предложенный способ открывает возможности для изучения распределения нейронов как на срезах НКТд, так и на срезах иных слоистых структур (например, спинного мозга, передних холмов,
гиппокампа, церебральной коры и пр.) любой формы и выявлений структурных особенностей, возникающих в процессе онтогенеза или вызванных нарушением сенсорного или моторного опыта.
Работа поддержана грантом РНФ № 21—15—00235 (разработка
программного обеспечения).
Список литературы:
1. Gurcan M. N., Boucheron L. E., Can A., Madabhushi A., Rajpoot N. M., Yener B. Histopathological image analysis: a review. IEEE Rev Biomed Eng. 2009. 2: 147—171.
2. Сидорин В. С. Патент РФ 2013765. Способ определения численной плотности и объема элементов микроскопических структур в тканях. МПК G01N 1/28, G01N 33/48. Приор. 14.08.1990.
3. Быстров Д., Кутра Д. Б. Патент РФ 2743577. Оптимизация взаимодействий пользователя при сегментации. МПК G06T 7/00, G06F 3/0484. Приор. 01.11.2016
4. Bishop P. O., Kozak W., Levick W. R., Vakkur G. J. The determination of the projection of the visual field onto the lateral geniculate nucleus in the cat. J. Physiol. Lond. 1962. 163: 503—539.
5. Sanderson K. J. The projection of the visual field to the lateral geniculate and medial interlaminar nuclei in the cat. J Comp. Neurol. 1971. 143 (1): 101 — 108.
6. Ikeda H., Jacobson S. G. Nasal field loss in cats reared with convergent squint: behavioral studies. J Physiol. 1977. 270 (2): 367—381.
7. Ikeda H, Plant GT, Tremain KE. Nasal field loss in kittens reared with convergent squint: neurophysiological and morphological studies of the lateral geniculate nucleus. J Physiol. 1977;270 (2):345—366.
8. Sireteanu R., Fronius M. Naso-temporal asymmetries in human am-blyopia consequence of long-term interocular suppression. Vision Res. 1981. 21: 1055—1063.
9. Hickey T. L., Spear P. D., Kratz K. E. Quantitative studies of cell size in the cat's dorsal lateral geniculate nucleus following visual deprivation. J. Comp. Neurol. 1977. 172 (2): 265—281.
10. Guillery R. W., Stelzner D. J. The differential effects of unilateral lid closure upon the monocular and binocular segments of the dorsal lateral geniculate nucleus in the cat. J. Comp. Neurol. 1970. 139 (4): 413—421.
11. Шкорбатова П. Ю., Топорова С. Н., Алексеенко С. В. Различия метаболической активности в глазоспецифичных слоях дорсального ядра наружного коленчатого тела кошек при нарушении бинокулярного зрения. Сенсорные системы. 2015. 1: 56—62.
12. Burnat K., Van Der Gucht E., Waleszczyk W. J., Kossut M., Arck-ens L. Lack of early pattern stimulation prevents normal development of the alpha (Y) retinal ganglion cell population in the cat. J. Comp. Neurol. 2012. 520 (11): 2414—2429.
AUTOMATED SELECTION OF RETINOTOPIC ZONES ON HISTOLOGICAL SECTIONS OF LAYERED STRUCTURES
Shkorbatova P. Y., Lyakhovetskii V. A., Merkulyeva N. S., Alexeenko S. V.
Pavlov Institute of Physiology RAS, Saint-Petersburg, Russia
Abstract: A method has been developed for detecting the heterogeneity of neuronal structures of the brain based on the results of automated analysis of morphometric and spatial characteristics in the sequence of segments of these structures, distinguished on histological sections.
Key words: lateral geniculate nucleus, histological sections, image analysis, binocular vision
