CC BY
11
32
Материалы Russian-German conference on Biomedical Engineering
УДК 004.932.2 + 531.7 + 611.8 + 612.8.01 В. А. Оганесян, выпускник,
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва А. В. Нотченко, аспирант,
Институт проблем передачи информации РАН им. А. А. Харкевича, Москва
О. В. Градов, младший научный сотрудник,
Институт энергетических проблем химической физики РАН, Москва
Мехатронный нейрогониометр для измерений in vivo и in situ на переживающих слайсах мозга и установках для стереотаксиса
Предварительное сообшение
Ключевые слова: нейрогониометрия, шаговые двигатели, КАМАК, МУШд, столик Федорова, PIC-контроллер, нейроморфология, нейроморфогенез.
Keywords: neuronal goniometry, neurogoniometry, stepping motors, controller, CAMAC, PIC, universal stage, Feodorov stage, neuromorphogenesis, electromorphology.
Рассматриваются возможности построения динамического нейрогониометра на базе ротационной механотронной системы с управлением от шаговых двигателей и системой управляемых отражателей на гальванометрических сканерах. Управление реализовано на PIC-контроллере, но разработан и другой бюджетный вариант с использованием модулей управления шаговыми двигателями в стандарте КАМАК (CAMAC). Созданы конструкции на базе универсального столика Федорова и аппарата для стереотаксиса. Указанные схемы могут быть использованы как для работы на фиксированных препаратах, так и для анализа in vivo или in situ, в частности для работы с переживающими слайсами мозга.
Введение
В настоящее время существует практическая необходимость в создании систем для автоматизированной гониометрии нейронных структур, подтверждающаяся множеством статей, использующих в неявном виде методы гониометрии и векторные подходы. При исследованиях электроиндуцирован-ного развития нейронных структур [1] производятся угловые измерения при росте конуса нейрита либо для указания направления роста нейритов применяется векторный способ, а угловые характеристики показываются на круговой диаграмме адди-
тивно — по распределению аксональных углов [2]. В типичных морфологических работах, связанных с описанием анизотропии магнитуды распределения дендритов в отдельных структурах мозга (например, в оливе [3]), используют аддитивные вектор-но-угловые характеристики, а в физиологических работах (см., например [4]) полярные гистограммы согласования векторов служат для прогнозирования соматической поляризации нейронов по их морфологическим параметрам и векторной согласованности первой с последней. В работе [5] угловое измерение приводится для иллюстрации вывода о том, что магнитный порог восприимчивости нейронов не имеет зависимости от значений аксональных углов, а в работе [6] показан механизм изменения угла микротрубочек в точке ветвления дендритов, лежащий в основе морфогенеза дендритов, для визуализации которого использованы угловые измерения на микрофотографиях.
Таким образом, углы в морфометрии нейронов можно рассматривать не только как морфологический критерий, но и как критерий физиологического упорядочивания при генезисе нейронной структуры и указатель потенциала ее пластичности ввиду сопряженности угловых характеристик генеральной направленности нейронов с их подвижностью, которая также отображается угловым путем через угол миграции отдельных нейронов [7]. Пластичность при этом можно рассматривать как коррелят электрофизиологической активности, так как во многих работах, связанных с регуляцией си-
наптической возбудимости, т. е., в конечном счете, с синаптической пластичностью, также используются угловые измерения (см., например, работу [8], к которой такие измерения производятся на Мкее1-ВЬКМЛ-экспрессирующих нейронах).
В ряде случаев для морфофункционального век-торно-углового отображения приходится использовать трехмерную репрезентацию на сферических координатах, где длины векторов и полярный угол обозначают компоненты и направление на цель передачи сигнала соответственно [9]: таким образом можно решать проблему коммутации приемопере-дачи нейрофизиологического сигнала между нейронными структурами по тем же принципам, по которым это делается для диаграмм направленности в радиотехнике.
Аналогичные угловые измерения производятся и для нейроглии, но при глиальных измерениях предпочитают использовать аддитивный подход — быстрое преобразование Фурье соответствующих микрофотографий [10,11], из которого можно вытянуть данные об ориентации, статистической упорядоченности и анизотропии нейронной структуры. В некоторых случаях находятся теоретические возможности для реализации кооперативной обработки информации при гибридизации хаотических глиаль-ных сетей и перцептронных структур [12], но они не выходят за рамки спекуляций, поэтому говорить о продуктивном применении методов гониометрии отдельных морфоструктурных единиц в данном случае невозможно. Однако, учитывая гистологическую колокализацию нейронов и нейроглии, в ряде случаев можно производить корреляционную нейрон-но-глиальную гониометрию.
Таким образом нейрогониометрию, если таковое средство будет создано, можно использовать при исследовании: роста и морфогенеза и миграции нейронов; пластичности нейронной структуры; морфофизиологической реконструкции диаграмм направленности биоэлектрического сигнала; интерполяционной реконструкции динамики микротрубочек; функциональных нейроглиальных отношений; изотропии/анизотропии нейронной и глиаль-ной структуры.
Между тем в настоящее время не существует программно-аппаратных комплексов для нейрого-ниометрии, равно как и для комплексной автоматизированной гониометрии биологических тканей вообще, если не считать комплекс для гониометрии светорассеяния в них [13], не относящийся к компетенции нейроморфометрии и морфометрии вообще. Однако гониометрические измерения с помощью микроскопа в индустриальных целях производятся достаточно давно [14] и, с учетом внедрения математической морфометрии [15], могут быть введены в разряд точных нейроморфологических методов, позволяющих раскрывать взаимосвязи в пластичных и развивающихся популяциях нейронов. Однако в то же время многие математико-морфометриче-
ские методы, представляемые как прямые аналоги гониометрии нейронов, не могут рассматриваться как ее полные аналоги.
Один из замечательных методов морфометриче-ского анализа мозга — радиальная морфометрия — хотя и позволяет исследовать векторную и радиальную ориентацию, но используется на уровне анатомических единиц, а не единичных нейронов in situ в культуре или на переживающих слайсах. Кроме того, большинство методов не позволяет производить анализ трехмерных структур на предмет ориентации отдельных окрашиваемых нейронов, для компьютерной репрезентации которой необходимо использовать эйлеровы координаты или, в идеальном случае, намного более сложные подходы, описание которых не входит в задачу настоящей статьи.
Основная часть
Ранее нами были предложены методы визуализации и компьютерного анализа углов отдельных нейронов и взаимного расположения нейронов в сетях, позволяющие получать объективные оценки, используя двумерные или трехмерные массивы данных в форме изображений, файлов послойной сборки результатов конфокальной микроскопии или их сглаженных репрезентаций, получаемых после рендеринга (см. наши доклады в сборнике International Symposium on Functional Neuroimaging за 2012 г., с. 86—91). Несмотря на наличие задела, эти методы не были ориентированы на получение данных напрямую в ходе микроскопии в режиме реального времени на живом или экспериментальном объекте. Для этой цели необходимо создание аппарат-но-сопряженных средств гониометрии, которые бы могли коммутироваться к снабженному средством регистрации микроскопу. Разработка подобного программно-аппаратного комплекса подразумевает проведение комплекса конструкторских работ, связанных с созданием средств позиционирования и контроллеров геометрического положения столика с образцом, а также разработку отличного программного обеспечения, позволяющего производить измерения в трехмерной форме и поддерживающего форматы файлов видеорегистрации для обеспечения возможности наблюдения за изменением угловых характеристик в динамике при окрашивании ткани витальными красителями.
Нами рассматриваются возможности построения динамического нейрогониометра на базе ротационной механотронной системы с управлением от шаговых двигателей и системой управляемых отражателей на гальванометрических сканерах. Управление реализовано на PIC-контроллере, но разработан и другой бюджетный вариант с использованием модулей управления шаговыми двигателями (МУШД) в стандарте CAMAC.
биотехносфера
| № 3(33)72014
Заключение
Созданы конструкции на базе 3-, 4-, 5-осных столиков Федорова [16—20] и аппарата для стереотаксиса. Указанные схемы могут быть использованы не только для работы на фиксированных препаратах, но и для анализа in vivo или in situ, в частности для работы с переживающими слайсами мозга. В несокращенной версии статьи, готовящейся к печати, приводятся примеры конструкции и применимости таких установок.
Работа выполнена в Отделе исследований мозга ФГБУ «Научный центр неврологии РАМН» в 2012—2013 гг.
Литература
1. Cormie P., Robinson K. R. Embryonic zebrafish neuronal growth is not affected by an applied electric field in vitro // Neuroscience Letters. 2007. Vol. 411. N. 2. P. 128-132.
2. Li G. N. Hoffman D. Evaluation of neurite outgrowth anisot-ropy using a novel application of circular analysis // Journal of Neuroscience Methods. 2008. Vol. 174. N 2. P. 202-214.
3. Brown M. C., Levine J. L. Dendrites of Medial Olivocochlear (MOC) Neurons in Mouse // Neuroscience. 2008. Vol. 154. N 1. P. 147-159.
4. Radman T., Ramos R. L., Brumberg J. C., Bikson M. Role of Cortical Cell Type and Morphology in Sub- and Suprathreshold Uniform Electric Field Stimulation // Brain Stimulation.
2009. Vol. 2. N 4. P. 215-228.
5. Pashut T., Wolfus S., Friedman A. et al. Mechanisms of Magnetic Stimulation of Central Nervous System Neurons // PLoS Computational Biology. 2011. Vol. 7. N 3. e1002022.
6. Mattie F. J., Stackpole M. M., Stone M. C. et al. Directed microtubule growth, +TIPs and kinesin-2 are required for uniform microtubule polarity in dendrites // Current Biology.
2010. Vol. 20. N 24. P. 2169-2177.
7. Ward M., McCann C., DeWullf M. et al. Distinguishing between Directional Guidance and Motility Regulation in Neuronal Migration // Journal of Neuroscience. 2003. Vol. 23. N 12. P. 5170-5177.
8. Wang D. D., Kriegstein A. R. GABA Regulates Excitatory Synapse Formation in the Neocortex via NMDA Receptor Activation // Journal of Neuroscience. 2008. Vol. 28. N 21. P. 5547-5558.
9. Chen-Huang C., Peterson B. W. Frequency-Dependent Spatiotemporal Tuning Properties of Non-Eye Movement Related Vestibular Neurons to Three-Dimensional Translations in Squirrel Monkeys // Journal of Neurophysiology. 2010. Vol. 103. N 6. P. 3219-3237.
10. Chow W. N., Simpson D. G., Bigbee J. W., Colello R. J. Evaluating neuronal and glial growth on electrospun polarized matrices: bridging the gap in percussive spinal cord injuries // Neuron Glia Biology. 2007. Vol. 3. N. 2. P. 119-126.
11. Alexander J. K., Fuss B., Colello R. J. Electric field-induced astrocyte alignment directs neurite outgrowth // Neuron Glia Biology. 2006. Vol. 2. N. 2. P. 93-103.
12. Ikuta C., Uwate Y., Nishio Y. Chaos glial network connected to Multi-Layer Perceptron for Solving Two-Spiral Problem // Proc. of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2010. P. 1360-1363.
13. Bolt R. A., de Mul F. M. Goniometric instrument for light scattering measurement of biological tissues and phantoms // Review of Scientific Instruments. 2002. Vol. 73. N 5. P. 2211-2213.
14. Farago F. T., Curtis M. A. Handbook of Dimensional Measurement. Industrial Press. 1994. 580 p.
15. Shin F.Y. Image Processing and Mathematical Morphology: Fundamentals and Applications. CRC Press. 2009. 439 p.
16. Hallimond A.F., Taylor E.W. An Improved Polarizing Microscope IV. The Fedorov Stage (Three-Axis) // Mineralogical Magazine. 1950. Vol. 29. N 209. P. 150-162.
17. Naidu P. R. J. 4-Axes Universal Stage. Commercial Printing & Publishing House, Madras. 1958. 106 p.
18. Berek M. Mikroskopische Mineralbestimmung mit Hilfe der Universaldrehtischmethoden. Gebrtder Borntraeger, Berlin. 1924.168 p.
19. Fedorov E. S. Eine neue Methode der optischen Untersuchung von Krystallplatten in parallelem Lichte. Tschermak's Mineralogische und Petrographische Mittheilungen. 1892. Vol. 12. P. 505-509.
20. Fedorov E. S. Universal- (Theodolith-) Methode in der Mineralogie und Petrographie // Zeitschrift für Kristallographie und Mineralogie. 1894. Vol. 22. P. 229-268.
(г \
Как оформить подписку?
• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентства «Урал-Пресс», «Гал», «Интер-почта 2003», «Информнаука».
• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-57-68 или электронной почте bts@polytechnics.ru заполненный запрос счета на подписку
Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»
Полное название организации_
Юридический адрес_
Банковские реквизиты. Адрес доставки.
Срок подписки_Кол-во экз..
Тел._Факс_e-mail_
Ф.И.О. исполнителя_
Стоимость одного номера журнала при подписке через редакцию — 550 руб. с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru.
Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.
