Инструментарий для 3D-геометрии мозга для анализа многосайтовой нейровизуализации

Картирование на основе заданий стало многообещающей техникой в функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для надежной характеристики и картирования уникальных паттернов активности отдельных людей. Эти эксперименты включают в себя получение обширных данных визуализации у одного участника, что в конечном итоге улучшает чувствительность и специфичность индивидуальной функциональной локализации. Несмотря на свои преимущества, исследования в основном сосредотачивались на понимании специфической активации коры, что препятствует целостному взгляду на функциональный ответ на уровне систем, и до настоящего времени лучшие подходы к статистическому анализу контролируемых заданий на основе плотно собираемых данных всего мозга еще не были полностью установлены. Поэтому в этом исследовании мы собрали данные многоканальной плотно собранной фМРТ аудиологической системы, которая имеет основные подкорковые компоненты, и оценили чувствительность активации, а также стабильность активации в подмножествах данных, используя стандартные подходы к тестированию выводов на уровне всего мозга и специфичных регионов. Подходы на уровне всего мозга включали стандартные схемы вывода на уровне вокселей и кластеров с различными статистическими порогами, а также непараметрический метод перестановочного вывода. Регионально-специфические подходы включали исследовательские методы топ % t-статистик и непараметрические методы перестановочного вывода. Мы обнаружили, что подход на уровне вокселей с коррекцией по уровню ложных открытий (FDR) (p<0.05) продемонстрировал наивысшую чувствительность среди регионов и субъектов, а также наиболее последовательное обнаружение ожидаемых слуховых регионов, даже при более низкой продолжительности сканирования. Кроме того, мы обнаружили, что подход с использованием т-статистики на уровне регионов может быть полезным исследовательским инструментом функциональной локализации и дополнительным методом к стандартным подходам к тестированию выводов.

Уточнение взаимосвязи между структурой и функцией важно для понимания работы мозга. В Drosophila melanogaster доступны данные о соединениях, полученные с помощью электронной микроскопии на основе FlyEM и FlyWire, а также данные о кальциевом изображении всего мозга. Мы применили методы предварительной обработки из функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) к данным о кальциевом изображении всего мозга и всесторонне исследовали оптимальные параметры. Затем мы обнаружили, что корреляция между функциональной и структурной связностью (FC-SC) линейно снижается с увеличением количества регионов интереса, и эта тенденция была одинаковой как у мушек, так и у людей. Мы также разработали новый, более надежный метод для количественной оценки степени пред- и постсинаптической сегрегации и исследовали это в мозге мух. Это показало, что многие нейроны имеют несегрегированные синапсы. Мы извлекли высоко несегрегированные синапсы и сравнили их с случайно извлеченными нулевыми матрицами SC. Их корреляция FC-SC была значительно выше, что указывает на то, что эти синапсы хорошо способствуют FC. Напротив, высоко сегрегированные синапсы показали значительно более низкую корреляцию FC-SC и меньше способствуют FC. Нейроны с несегрегированными синапсами, подобные неимпульсным нейронам, распределены по всему мозгу и считаются важными для FC.

Введение. Старение характеризуется широкомасштабными изменениями коры, однако молекулярные основы и механизмы на уровне сети, лежащие в основе этой изменчивости, остаются недостаточно понятными. Методы. Мы проанализировали структурные данные МРТ у 952 взрослых людей в возрасте от 18 до 94 лет, используя морфометрические сети схожести, подтипы и стадии, а также кортикальную транскриптомику. Внутреннюю связанность в сетях коры изучали в трех основных корковых сетях и сравнивали с кортикальными паттернами экспрессии генов, связанных с долголетием. Результаты. На основе различных паттернов морфометрической схожести внутри сети и их ассоциаций с генами долголетия, выделились два устойчивых подтипа, связанных со старением. Нормативный подтип старения (метаболически-иммунный) показал профили связанности, соответствующие типичному возрастному снижению, и обогатился генами, участвующими в метаболизме, инсулиновом сигнальном пути и регуляции иммунных процессов. Компенсаторный подтип (стресс-ремонт) демонстрировал более сохраненную связанность внутри сети и был ассоциирован с генами, связанными с ответом на стресс, ремонтом ДНК и протеостазом. Несмотря на наложение двух подтипов в путях окислительного стресса и нейродегенерации, они имели разные молекулярные сигнатуры, связанные с различными траекториями коркового старения. Заключение. Объединяя морфометрию на основе сети с транскриптомикой, мы устанавливаем подход к моделированию, который различает нормативное снижение и компенсаторную адаптацию в корковом старении и предоставляет биологически значимые маркеры старения мозга.

Дисрегуляция фибробластов способствует патологической фиброзе и аномальному восстановлению. Новые данные свидетельствуют о том, что фибробласты накапливаются в поражениях после повреждения центральной нервной системы, но неясно, каким образом они влияют на восстановительные реакции олигодендроцитов, особенно в условиях старения. В данной работе мы сообщаем, что фибробласты накапливаются в паренхиме белого вещества спинного мозга молодыми мышами в возрасте 6–10 недель после демиелинизации, вызванной лиозолецитином. Это было впервые зафиксировано с помощью иммунофлуоресцентной микроскопии с использованием нескольких маркеров, относящихся к фибробластам, включая тромбоцитарный фактор роста-{бета}, коллаген тип 11, гладкомышечный актин, периостин и фибронектин; а также с использованием трансгенных мышей с отчетчиком TdTomato на основе тромбоцитарного фактора роста-{бета}. Одноядерная и пространственная транскриптомика поражений, вызванных лиозолецитином, установила наличие фибробластов в этих поражениях и выделила их из близкородственных перицитов. Анализ лиганды-рецепторы CellChat подчеркивает фибробласты в среде лиозолецитина как основной источник сигналов для микроглии/макрофагов и предшественников олигодендроцитов, с множеством взаимных взаимодействий. Проникновение фибробластов было стимулировано микроглией/макрофагами, как и ожидалось из их временного представления в поражениях, вызванных лиозолецитином, и из экспериментов в культуре тканей, где миграция фибробластов была усилена макрофагами. Особую значимость для спонтанных регенеративных событий при демиелинизации, вызванной лиозолецитином, имеет то, что области накопления фибробластов были свободны от предшественников олигодендроцитов. В культуре тканей предшественники олигодендроцитов не могли проникнуть в области фибробластов. Более того, накопление фибробластов после травмы, вызванной лиозолецитином, усиливается с увеличением возраста, что является известным фактором, препятствующим способности к ремиелинизации после травмы, и исключение предшественников олигодендроцитов из областей фибробластов у мышей в возрасте 48–52 недель превышает показатели у более молодых животных в возрасте 6–10 недель. Наконец, при анализе общедоступной базы данных одноядерной РНК при рассеянном склерозе мы обнаружили фибробласты на краях хронически активных и хронически неактивных поражений, а также в их центрах, но в меньшем количестве в перифокальных или нормальных белых веществах. Мы выявили несколько сетей коммуникации между фибробластами, микроглией/макрофагами и предшественниками олигодендроцитов в этих поражениях при рассеянном склерозе. Наши коллективные результаты демонстрируют роль фибробластов в невропатологии, ассоциированной с демиелинизацией, которая усугубляется старением, и подчеркивают важность регулирования фибробластов для содействия эффективному восстановлению центральной нервной системы.

Болезнь Альцгеймера (БА) определяется и стадийно классифицируется на основе стереотипного, прогрессирующего накопления амилоид-бета (A{beta}) бляшек и гиперфосфорилированных тау (pTau) нейрофибриллярных клубков в различных областях мозга. Эти области существенно различаются по своей архитектуре и функциям, но в значительной степени сохраняют клеточный состав, с некоторой региональной спецификацией. Поскольку патология накапливается, определенные нейроны теряются, а не нейронные клетки переходят в состояния, ассоциированные с болезнью, но остается неясным, являются ли типы клеток, пораженные в одной области, такими же в других областях. Здесь мы расширили Атлас клеток мозга при болезни Альцгеймера в Сиэтле (SEA-AD) на десять неокортекальных и аллокортекальных областей, охватывающих кортикальную дугу канонического стадирования БА, профилируя приблизительно семь миллионов ядер от 84 доноров с помощью секвенирования РНК с одиночными ядрами, ATAC-seq и Multiome наряду с количественной нейропатологией и секвенированием всего генома. Ядра были сопоставлены с расширенной референсной таксономией Инициативы BRAIN, содержащей 207 типов клеток, иерархическая псевдо-прогрессия обеспечила непрерывные, донорные уровни оценки патологии БА в каждой области и по всему мозгу, совместно моделируя A{beta} и pTau. Изменения в клетках были как высокоспецифичными, так и поразительно последовательными: лишь около 30% типов клеток изменились в относительной частоте, но те, кто изменился, изменились в согласованном направлении в различных областях. Конкретные подмножества ингибирующих интернейронов Sst, Lamp5, Vip, Sncg и Pvalb, а также миелинизирующих олигодендроцитов были потеряны скорее всего на самых ранних стадиях у донора с минимальной патологией, наряду с первоначальным появлением ассоциированных с БА микроглией; потеря типов возбуждающих нейронов L2/3 и некоторых глубоких слоев, резкий рост микроглии и появление реактивных астроцитов последовали у доноров на более поздних стадиях. Регионально специализированные популяции также оказались уязвимыми, включая ожидаемые аллокортекальные типы, а также, неожиданно, специализированные возбуждающие нейроны слоя 4 (L4 IT) первичной зрительной коры (V1C) и смешанные ингибирующие интернейроны Sst и Pvalb. Ключевые изменения воспроизводились в трех независимых когортах, охватывающих более 700 дополнительных доноров. Мы исследовали два взаимодополняющих уязвимых населения в механистических подробностях: регионально специализированные нейроны V1C L4 IT, которые были потеряны поздно, несмотря на то, что их широко считали устойчивыми, и пан-кортикальные интернейроны Sst, которые потерялись в первые стадии болезни. Применяя многогранный ИИ-рабочий процесс, который конструировал гипотезы, основанные на литературе из дифференциального экспрессии для нейронов L4 IT, были выделены гипервозбудимость, частично опосредованная высоким уровнем экспрессии NMDA-рецепторов, как сходный фенотип уязвимости. Уязвимые интернейроны Sst сходились на гипервозбудимости через частично различные пути и обогащались экспрессией генов, приоритизированных в GWAS для БА, связывая их уязвимость с генетической архитектурой БА. Эти данные, доступные на SEA-AD.org, предоставляют многофункциональный региональный каркас для сообщества, чтобы исследовать молекулярные и клеточные изменения прогрессирования БА.

Охраняемые территории не могут остановить утрату биоразнообразия в изоляции; интеграция их с окружающими территориями, подверженными человеческому воздействию, имеет решающее значение. Однако эта интеграция осложняется значительной гетерогенностью ландшафта на их границах, что затрудняет понимание трансграничных изменений в предоставлении экосистемных услуг. Мы представляем новую структуру для характеристики этих динамических процессов путем анализа градиентов экосистемных услуг вдоль границ охраняемых территорий. Для 16 охраняемых территорий во французских Альпах мы оценили 12 экосистемных услуг, используя сочетание устоявшихся биофизических моделей и новых моделей на основе связности для подвижных видов. Эти данные были сгруппированы в три области, ориентированные на заинтересованные стороны, отражающие соответственно сельские, культурные и городские приоритеты управления. Автоматизированный полиномиальный регрессионный анализ классифицировал границы на пять типов градиентов. Наиболее распространенными были Убывающие Градиенты, представляющие собой снижение экосистемных услуг за пределами охраняемой территории, и Возрастающие Градиенты, имеющие противоположный паттерн. Наш анализ показывает, что эти закономерности обусловлены специфическими конфигурациями ландшафта, выявляя частые компромиссы между тремя приоритетами управления, когда, например, ландшафты, поддерживающие сельские приоритеты, часто ухудшают культурные и городские. Мы также выделяем ключевые возможности для синергии, определяя области, где экосистемные услуги для всех трех приоритетных областей увеличиваются одновременно за пределами охраняемой территории. Эта пространственно явная типология предоставляет мощный диагностический инструмент для проектирования целевых интервенций, таких как приоритизация восстановления местообитаний там, где экосистемные услуги снижаются, или управление сельскохозяйственными ландшафтами для смягчения конфликтов между приоритетами управления, поддерживая более эффективную интеграцию охраняемых территорий в более широкий ландшафт.