[go: up one dir, main page]

RU2828670C1 - Method for studying distribution of neurons in retinotopic zones on histological section of corpus geniculatum laterale of animals - Google Patents

Method for studying distribution of neurons in retinotopic zones on histological section of corpus geniculatum laterale of animals Download PDF

Info

Publication number
RU2828670C1
RU2828670C1 RU2023122867A RU2023122867A RU2828670C1 RU 2828670 C1 RU2828670 C1 RU 2828670C1 RU 2023122867 A RU2023122867 A RU 2023122867A RU 2023122867 A RU2023122867 A RU 2023122867A RU 2828670 C1 RU2828670 C1 RU 2828670C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neurons
layers
segments
boundaries
distribution
Prior art date
Application number
RU2023122867A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Полина Юрьевна Шкорбатова
Всеволод Александрович Ляховецкий
Наталья Сергеевна Меркульева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук (ИФ РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук (ИФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук (ИФ РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2828670C1 publication Critical patent/RU2828670C1/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention can be used to study the distribution of neurons in retinotopic zones on a histological section of the corpus geniculatum laterale of animals. Sections are made and stained, the sections are photographed, the outer boundaries of the layers of the dorsal nucleus of the corpus geniculatum laterale and the boundaries between these layers are detected, and the location of neurons on the section is marked. Marker marks the outer boundaries of layers A and A1, the inner boundary between these layers, as well as the colored neurons. Selected boundaries are approximated by sets of rectilinear segments, outer boundaries of layers are divided into specified number of segments of equal length, numbered for each of layers from left to right, ends of segments approximating external boundaries with identical numbers are connected in pairs to obtain segments. Thereafter, the area of each segment is measured, distribution of neurons between segments is determined as density of neurons and distribution of neurons within a segment based on distance from neurons to outer boundary of layer and boundary between layers.
EFFECT: invention enables to quantitatively analyze morphometric and spatial characteristics of neurons of eye-specific layers of the dorsal nucleus of the corpus geniculatum laterale and based on this to judge the degree of change in the functions of these neurons depending on the position of their receptive fields in the field of view.
1 cl, 1 ex, 4 dwg

Description

Изобретение относится к изучению физиологии зрения и может быть использован для изучения патологии зрительной системы на животных моделях.The invention relates to the study of the physiology of vision and can be used to study the pathology of the visual system in animal models.

Гистологические изображения (изображения гистологических препаратов) широко применяются для изучения состояний тканей и органов человека и животных; в частности, на основе их анализа принимаются решения о тяжести заболеваний, об оценке результатов возможного лечения [1]. 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 [2]. 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 [например, 3]. Далее узлы этих сеток могут быть модифицированы в интерактивном режиме [например, 4].Histological images (images of histological preparations) are widely used to study the condition of tissues and organs of humans and animals; in particular, decisions are made on the severity of diseases and the assessment of the results of possible treatment based on their analysis [1]. One of the fundamental stages of histological image analysis is segmentation: local, in which some individual known structures (e.g., cell nuclei) are highlighted in the image, or global, in which the image is divided into informative zones [2]. Global segmentation can be performed either manually, by a specialist, or automatically. In the latter case, a "grid" structure is selected based on a priori information about the organ or tissue being studied, dividing it into certain segments [e.g., 3]. The nodes of these grids can then be modified interactively [e.g., 4].

Анализ гистологических изображений применяют также и в научно-исследовательской работе при изучении влияния лекарственных веществ или факторов среды на микроструктуру органов и тканей, их онтогенетических и возрастных изменений, в частности в исследованиях структур зрительного анализатора человека и животных. Среди нейронных структур головного мозга основным проекционным таламическим ядром, через которое в зрительную кору поступает 90% информации, является наружное коленчатое тело (НКТ). Нейроны, расположенные в различных слоях дорсального ядра НКТ (НКТд), получают входы либо от сетчатки левого, либо от сетчатки правого глаза, т.е. рецептивные поля нейронов одного слоя расположены на одной из сетчаток. Такая слоистая структура делает НКТд удобным объектом для выявления различий во влияниях разных форм нарушений бинокулярного опыта на монокулярные зрительные пути. На срезе НКТд кошки можно выделить слои А и А1, граничащие между собой (далее, внутренняя граница); слой А расположен над слоем А1. Внешние границы слоев (верхняя граница слоя А и нижняя граница слоя А1) легко различимы. При этом различные функциональные и морфологические популяции нейронов распределены неравномерно относительно границ слоев [5, 6].Histological image analysis is also used in research to study the effects of drugs or environmental factors on the microstructure of organs and tissues, their ontogenetic and age-related changes, in particular in studies of the structures of the visual analyzer in humans and animals. Among the neural structures of the brain, the main projection thalamic nucleus, through which 90% of information enters the visual cortex, is the lateral geniculate nucleus (LGN). Neurons located in different layers of the dorsal nucleus of the LGN (LGNd) receive inputs either from the retina of the left or from the retina of the right eye, i.e. the receptive fields of neurons in one layer are located on one of the retinas. Such a layered structure makes the LGNd a convenient object for identifying differences in the effects of different forms of binocular experience impairment on monocular visual pathways. In a section of the LGNd of a cat, layers A and A1 can be distinguished, bordering each other (hereinafter, the internal border); layer A is located above layer A1. The outer boundaries of the layers (the upper boundary of layer A and the lower boundary of layer A1) are easily distinguishable. At the same time, various functional and morphological populations of neurons are distributed unevenly relative to the boundaries of the layers [5, 6].

Электрофизиологическим методом была показана ретинотопическая организация НКТд: участки, близкие к центральному вертикальному меридиану поля зрения, проецируются в медиальную область ядра, а удаленные от него участки - 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 [7]. Таким образом, в различных участках слоя расположены нейроны, рецептивные поля которых расположены в различных зонах поля зрения. Поскольку НКТд имеет сложную трехмерно изогнутую форму, то 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 каудальной частях НКТд имеют прямолинейные границы [8].The electrophysiological method demonstrated the retinotopic organization of the NKTd: areas close to the central vertical meridian of the visual field project to the medial area of the nucleus, while areas distant from it project to the lateral area; the representation of the central horizontal meridian is located in the middle part of the NKTd, while the top of the visual field projects to the caudal part of the NKTd, and the bottom of the visual field projects to the rostral part [7]. Thus, neurons with receptive fields in different zones of the visual field are located in different areas of the layer. Since the NKTd has a complex three-dimensionally curved shape, the shape of layers A and A1 in the frontal section differs depending on the rostrocaudal position of such a section within the NKTd. Layers in the rostral part of the NKTd, which represent the bottom of the visual field, have a curved shape, while layers in the middle and caudal parts of the NKTd have straight boundaries [8].

Нарушения зрительного опыта по-разному влияют на зрительные функции в различных частях поля зрения [9, 10], на такие морфологические характеристики различных участков слоев НКТд, как размер нейронов и плотность их распределения [11, 12, 13], а также на яркость окрашивания тел нейронов и нейропиля [11, 14].Visual impairments have different effects on visual functions in different parts of the visual field [9, 10], on such morphological characteristics of different areas of the NKT layers as the size of neurons and their distribution density [11, 12, 13], as well as on the brightness of staining of neuronal bodies and neuropil [11, 14].

Для количественного анализа нарушений морфо-функциональной организации НКТд в работе [11] была предложена следующая процедура построения сеток. Отбирались срезы НКТд, на которых слои А и А1 имели прямолинейные внешние границы; бинокулярная часть слоев А и А1 делилась на 4 участка приблизительно равной площади путем опускания перпендикуляров от внешней границы слоя А к внешней границе слоя А1; в центрах полученных участков выделялись небольшие прямоугольные области, в которых подсчитывалось плотность нейронов. Недостатком этого метода является, во-первых, необходимость работы лишь со срезами, имеющими достаточно прямолинейные внешние границы слоев. И, во-вторых, невозможность оценки внутренней организации слоев А и А1.For quantitative analysis of disturbances of morpho-functional organization of NKTd, the following procedure of grid construction was proposed in [11]. NKTd sections were selected, on which layers A and A1 had rectilinear external boundaries; the binocular part of layers A and A1 was divided into 4 sections of approximately equal area by lowering perpendiculars from the external boundary of layer A to the external boundary of layer A1; small rectangular areas were selected in the centers of the obtained sections, in which the density of neurons was calculated. The disadvantage of this method is, firstly, the need to work only with sections having sufficiently rectilinear external boundaries of layers. And, secondly, the impossibility of assessing the internal organization of layers A and A1.

Для устранения последней проблемы в работе [15] была предложена следующая процедура. Отбирались срезы НКТд, которые имели прямолинейные внешние границы слоев. Медиальный полюс слоя А1 был принят за 0% длины, а латеральный полюс - за 100% длины. Для нормированного соотнесения пространственных координат нейронов с ретинотопической картой НКТд определяли отношение расстояния от нейрона до начала слоя А1 к полной длине слоя А1. Этот способ является наиболее близким к предлагаемому и принят за прототип.To eliminate the last problem, the following procedure was proposed in [15]. The sections of the NKTd were selected that had rectilinear outer boundaries of the layers. The medial pole of the A1 layer was taken as 0% of the length, and the lateral pole as 100% of the length. For the normalized correlation of the spatial coordinates of neurons with the retinotopic map of the NKTd, the ratio of the distance from the neuron to the beginning of the A1 layer to the full length of the A1 layer was determined. This method is the closest to the proposed one and is accepted as a prototype.

Техническая проблема состоит в том, что процедуры выделения ретинотопических зон в обоих вышеупомянутых методах пригодны лишь в том случае, если внешние границы слоев имеют близкую к прямолинейной форму. Между тем, на многих срезах НКТд внешние границы полей имеют изогнутую форму, которая плохо аппроксимируется одним отрезком прямой. В результате такие срезы исключаются из дальнейшего количественного анализа, что не позволяет оценить по всей проекции поля зрения такие параметры как количество нейронов, плотность нейронов, их положение относительно границы слоев, распределение нейронов в рамках слоя, яркость части слоя. Сегментирование таких срезов с помощью известных технических средств, представленных в [16], также затруднено за отсутствием объективных критериев выделения сегментов в полуавтоматическом режиме. Подходящие модели генерации сеток для сегментации НКТд отсутствуют. Между тем, известно, что положение тел определенных популяций нейронов относительно границ слоев меняется в процессе постнатального развития [6]; изменение плотности клеток используют в качестве морфологического коррелята нарушений зрительных функций или их восстановления [17]; изменение яркости окраски нейронов и нейропиля также свидетельствует об изменении их функции [14].The technical problem is that the procedures for isolating retinotopic zones in both of the above-mentioned methods are suitable only if the outer boundaries of the layers have a close to rectilinear shape. Meanwhile, in many NKTd sections, the outer boundaries of the fields have a curved shape, which is poorly approximated by a single straight line segment. As a result, such sections are excluded from further quantitative analysis, which does not allow us to estimate such parameters as the number of neurons, the density of neurons, their position relative to the layer boundary, the distribution of neurons within the layer, and the brightness of a part of the layer over the entire projection of the visual field. Segmentation of such sections using the known technical means presented in [16] is also difficult due to the lack of objective criteria for segmentation in a semi-automatic mode. There are no suitable models for generating grids for NKTd segmentation. Meanwhile, it is known that the position of the bodies of certain neuron populations relative to the layer boundaries changes during postnatal development [6]; a change in cell density is used as a morphological correlate of visual impairments or their restoration [17]; changes in the brightness of the color of neurons and neuropil also indicate a change in their function [14].

Для разрешения этой проблемы предлагается в способе изучения распределения нейронов в ретинотопических зонах на гистологическом срезе НКТ животных, включающем изготовление и окрашивание срезов, фотографирование срезов, выявление внешних границ слоев НКТд и границы между этими слоями, маркирование местоположения нейронов на срезе, маркировать внешние граница слоев А и А1, внутреннюю границу между слоями, а также окрашенные нейроны, выделенные границы аппроксимировать наборами прямолинейных отрезков, разбить внешние границы слоев на заданное количество отрезков равной длины, пронумерованных для каждого из слоев слева направо, концы отрезков, аппроксимирующих внешние границы, с одинаковыми номерами соединить попарно, получая сегменты, соответствующие функциональным ретинотопическим зонам, после чего измерить площадь каждого сегмента, определить распределение нейронов между сегментами (плотность нейронов) и внутри сегмента (на основе расстояния от нейронов до внешней границы слоя и границы между слоями).To resolve this problem, it is proposed to develop a method for studying the distribution of neurons in retinotopic zones on a histological section of animal NKT, which includes preparing and staining sections, photographing sections, identifying the outer boundaries of NKTd layers and the boundaries between these layers, marking the location of neurons on the section, marking the outer boundaries of layers A and A1, the inner boundary between the layers, and also stained neurons, approximating the identified boundaries with sets of straight line segments, dividing the outer boundaries of the layers into a given number of segments of equal length, numbered for each of the layers from left to right, connecting the ends of the segments approximating the outer boundaries with the same numbers in pairs, obtaining segments corresponding to the functional retinotopic zones, and then measuring the area of each segment, determining the distribution of neurons between segments (neuron density) and within the segment (based on the distance from the neurons to the outer boundary of the layer and the boundary between the layers).

Техническим результатом будет возможность определения площади и средней яркости сегментов, распределения нейронов внутри сегмента и между сегментами на срезах НКТд любой формы за счет нового способа выделения топических зон. В итоге повышается информативность получаемых данных при анализе срезов, появляется возможность анализировать большее количество срезов от одного животного. Это, во-первых, позволит получить более детальную информацию о локализации нарушений в поле зрения и, во-вторых, приведет к уменьшению необходимого числа животных в выборке, что согласуется с международным принципом проведения исследования на животных 3R.The technical result will be the ability to determine the area and average brightness of segments, the distribution of neurons within a segment and between segments on NKTd sections of any shape due to a new method for identifying topical zones. As a result, the information content of the data obtained during section analysis increases, and it becomes possible to analyze a larger number of sections from one animal. This, firstly, will allow obtaining more detailed information on the localization of disorders in the visual field and, secondly, will lead to a decrease in the required number of animals in the sample, which is consistent with the international principle of conducting research on animals 3R.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет количественно анализировать морфометрические и пространственные характеристики нейронов глазоспецифичных слоев НКТд и на основании этого судить о степени изменения функций этих нейронов в зависимости от положения их рецептивных полей в поле зрения. Такие данные могут быть важны при исследовании формирования зрительных нейронов в онтогенезе в условиях нормы и при модификации зрительного опыта.Thus, the proposed method allows quantitative analysis of the morphometric and spatial characteristics of neurons in the eye-specific layers of the NKTd and, based on this, to judge the degree of change in the functions of these neurons depending on the position of their receptive fields in the visual field. Such data may be important in studying the formation of visual neurons in ontogenesis under normal conditions and in modifying visual experience.

На фиг. 1А показано изображение среза НКТ правого полушария, с нанесенными на него линиями, обозначающими внешние границы слоев А и А1 и границу между этими слоями.Fig. 1A shows an image of a section of the right hemisphere NKT, with lines drawn on it indicating the outer boundaries of layers A and A1 and the boundary between these layers.

На фиг. 1Б показано разделение слоев НКТд на сегменты, соответствующие ретинотопическим зонам, и выделение нейронов в каждом сегменте каждого слоя.Fig. 1B shows the division of the layers of the NKT into segments corresponding to retinotopic zones, and the isolation of neurons in each segment of each layer.

На фиг. 2 показан результат подсчета числа нейронов в выделенных десяти сегментах слоев А и А1 НКТд в абсолютных единицах (фиг. 2А) и плотность нейронов (фиг. 2Б).Fig. 2 shows the result of counting the number of neurons in the selected ten segments of layers A and A1 of the NKTd in absolute units (Fig. 2A) and the density of neurons (Fig. 2B).

На фиг. 3 показана средняя яркость по аддитивной цветовой RGB шкале, вычисленная как среднее значение интенсивностей R-, G- и В-компонента цвета каждого пикселя изображения данного сегмента слоя А и А1.Fig. 3 shows the average brightness on the additive RGB color scale, calculated as the average value of the intensities of the R-, G- and B-components of the color of each pixel of the image of a given segment of layer A and A1.

На фиг. 4 показан процент нейронов, расположенных в заданном бине внутри выделенного сегмента слоя А и А1, вычисленный на основе полученных расстояний от положения нейрона до границ слоя. Каждый слой НКТд был разбит на три равных по ширине бина, соответствующих верхней (В), средней (С) и нижней (Н) части слоя. За 100% взято число нейронов в данном сегменте данного слоя.Fig. 4 shows the percentage of neurons located in a given bin within a selected segment of layer A and A1, calculated based on the obtained distances from the neuron position to the layer boundaries. Each layer of the NKTd was divided into three bins of equal width, corresponding to the upper (B), middle (C), and lower (H) parts of the layer. The number of neurons in a given segment of a given layer is taken as 100%.

Для осуществления способа необходимо произвести следующие операции.To implement the method, the following operations must be performed.

1. Изготавливают срезы.1. Make cuts.

2. Окрашивают срезы.2. Stain the sections.

3. Фотографируют (оцифровывают) срезы.3. Photograph (digitize) the sections.

4. На изображении среза отмечают линиями границы слоев А и А1 НКТд и границу между слоями и отмечают точками местоположение нейронов.4. On the image of the section, the boundaries of layers A and A1 of the NKTd and the boundary between the layers are marked with lines and the location of the neurons is marked with dots.

5. Выделяют ретинотопические зоны и их параметры, для этого:5. Retinotopic zones and their parameters are identified, for this:

5.1 Находят координаты точек, образующих линии, определяющие границы слоев и границу между слоями.5.1 Find the coordinates of the points that form the lines defining the boundaries of the layers and the boundary between the layers.

5.2 Разбивают линии, определяющие внешние границы слоев, на заданное количество (например, 10) отрезков равной длины.5.2 Divide the lines defining the outer boundaries of the layers into a given number (for example, 10) of segments of equal length.

5.3 Соединяют попарно вершины полученных отрезков с одинаковыми номерами.5.3 Connect the vertices of the obtained segments with the same numbers in pairs.

5.4 Определяют площадь полученных секторов.5.4 Determine the area of the resulting sectors.

5.5 Разделяют каждый сектор на три равных по высоте бина, соответствующих верхней, средней и нижней части слоя.5.5 Divide each sector into three bins of equal height, corresponding to the upper, middle and lower parts of the layer.

5.6 Определяют среднюю яркость в секторе.5.6 Determine the average brightness in the sector.

6. Выделяют популяции нейронов в разрезе ретинотопических зон.6. Populations of neurons are identified in terms of retinotopic zones.

6.1 Находят координаты точек, которыми было отмечено местоположение нейронов.6.1 Find the coordinates of the points that marked the location of the neurons.

6.2 Относят каждый из нейронов к одному из секторов одного из слоев НКТд.6.2 Each of the neurons is assigned to one of the sectors of one of the layers of the NKTd.

6.3 Определяют расстояние от каждого нейрона до внешней границы слоя и до границы между слоями.6.3 Determine the distance from each neuron to the outer boundary of the layer and to the boundary between layers.

7. Определяют параметры выделенных популяций нейронов.7. Determine the parameters of the selected neuron populations.

7.1 Определяют количество нейронов в каждой популяции.7.1 Determine the number of neurons in each population.

7.2 Находят распределение нейронов по секторам (зависимость плотности нейронов от номера сектора).7.2 Find the distribution of neurons by sectors (dependence of the neuron density on the sector number).

7.3 На основе положения нейрона по отношению к границам слоя, относят нейрон к одному из бинов, то есть находят распределение нейронов внутри сектора. Число нейронов в секторе при этом принимают за 100%.7.3 Based on the position of the neuron relative to the layer boundaries, the neuron is assigned to one of the bins, i.e. the distribution of neurons within the sector is found. The number of neurons in the sector is taken as 100%.

Сущность способа поясняется примером:The essence of the method is explained by an example:

После перфузионной фиксации головного мозга у животных с экспериментально вызванным косоглазием, на замораживающем микротоме изготавливали фронтальные срезы таламуса, которые содержат НКТд. Для выявления тел нейронов проводили иммуногистохимическую реакцию с моноклональными антителами SMI-32, которые связываются с нефосфорилированными доменами тяжелого белка нейрофиламентов - одного из основных элементов цитоскелета нейронов - и маркируют, в основном, нейроны Y-типа [18]. На оцифрованных изображениях срезов НКТд с помощью различных графических маркеров эксперт маркировал внешние границы слоя А и А1 (например, синим цветом), внутреннюю границу между этими слоями (например, красным цветом), а также окрашенные нейроны (например, зелеными точками), интенсивность окраски которых вследствие иммуногистохимической реакции была выше, чем у фона (фиг. 1А). Выделенные границы аппроксимировали наборами прямолинейных отрезков. Полученные наборы отрезков, аппроксимирующих внешние границы слоев, были разделены на заданное количество фрагментов равной длины (например, десять). Вершины отрезков нумеровались слева направо для каждого из слоев (в данном примере, от 1 до 11, см. фиг. 1Б). Затем вершины, имеющие в слоях А и А1 одинаковые порядковые номера, соединялись между собой. В результате каждый из слоев НКТд оказывался разбит на заданное (в данном примере, десять) число сегментов (фиг. 1Б). Форма сегментов была подобна форме ретинотопических зон, приведенных на картах [8]: популяция нейронов каждого из секторов образовывала искомую функциональную ретинотопическую зону. В отличие от известного способа-прототипа анализа срезов, на которых границы слоев А и А1 НКТд ориентированы прямолинейно, а местоположение нейронов проецируется на прямую, параллельную границе слоев, предлагаемый способ позволяет выделять популяции нейронов в рамках функциональных ретинотопических зон на срезах НКТд с границами любой кривизны.After perfusion fixation of the brain in animals with experimentally induced strabismus, frontal sections of the thalamus containing NKTd were prepared on a freezing microtome. To identify neuronal cell bodies, an immunohistochemical reaction was performed with monoclonal antibodies SMI-32, which bind to non-phosphorylated domains of the heavy protein of neurofilaments, one of the main elements of the neuronal cytoskeleton, and label mainly Y-type neurons [18]. On digitized images of NKTd sections, using various graphic markers, the expert marked the outer boundaries of layers A and A1 (e.g., in blue), the inner boundary between these layers (e.g., in red), and also stained neurons (e.g., green dots), the staining intensity of which, due to the immunohistochemical reaction, was higher than that of the background (Fig. 1A). The selected boundaries were approximated by sets of straight line segments. The resulting sets of segments approximating the outer boundaries of the layers were divided into a given number of fragments of equal length (for example, ten). The vertices of the segments were numbered from left to right for each of the layers (in this example, from 1 to 11, see Fig. 1B). Then the vertices that had the same ordinal numbers in layers A and A1 were connected to each other. As a result, each of the layers of the NKTd was divided into a given (in this example, ten) number of segments (Fig. 1B). The shape of the segments was similar to the shape of the retinotopic zones shown on the maps [8]: the population of neurons in each sector formed the desired functional retinotopic zone. In contrast to the known prototype method of analyzing sections, in which the boundaries of layers A and A1 of the NKTd are oriented rectilinearly, and the location of neurons is projected onto a straight line parallel to the boundary of the layers, the proposed method allows one to isolate populations of neurons within the functional retinotopic zones on sections of the NKTd with boundaries of any curvature.

Аналогично [15] находят координаты нейронов как координаты точек, которыми они были отмечены. На основе этих координат определяют сегмент, к которому относится данный нейрон, и, далее, число нейронов в данных сегментах (фиг. 2А). Затем, с учетом измерения площади каждого сегмента, вычисляется плотность нейронов - количество нейронов на единицу площади (фиг. 2Б). Анализ распределения нейронов по сегментам показывает, что в сегментах 8-10, в которых расположены нейроны ретинотопической зоны периферии поля зрения, число и плотность нейронов в слоях А и А1 значительно различается. Далее вычисляется расстояние между нейронами и границами слоя и на его основе определяется, например, лежит ли нейрон в верхней, средней или нижней части слоя (фиг. 3). Анализ распределения нейронов внутри сегмента (число нейронов в каждом сегменте каждого слоя принято за 100%) показывает, что как и в норме, в большинстве сегментов в центре слоя расположено минимальное количество Y-нейронов (в бине С процент нейронов ниже, чем в бине В или в бине Н), что хорошо согласуется с литературными данными [5, 15].Similarly [15], the coordinates of neurons are found as the coordinates of the points by which they were marked. Based on these coordinates, the segment to which a given neuron belongs is determined, and then the number of neurons in these segments (Fig. 2A). Then, taking into account the measurement of the area of each segment, the density of neurons is calculated - the number of neurons per unit area (Fig. 2B). An analysis of the distribution of neurons by segments shows that in segments 8-10, in which neurons of the retinotopic zone of the periphery of the visual field are located, the number and density of neurons in layers A and A1 differ significantly. Next, the distance between neurons and the boundaries of the layer is calculated and on its basis it is determined, for example, whether a neuron lies in the upper, middle or lower part of the layer (Fig. 3). Analysis of the distribution of neurons within a segment (the number of neurons in each segment of each layer is taken as 100%) shows that, as in the norm, in most segments, the minimum number of Y-neurons is located in the center of the layer (in bin C, the percentage of neurons is lower than in bin B or in bin H), which is in good agreement with literary data [5, 15].

Средняя яркость в сегментах 6-10 (фиг. 4) выше для слоя А1, так как в нем меньше темно окрашенных тел нейронов, а также снижена яркость фона (нейропиля).The average brightness in segments 6-10 (Fig. 4) is higher for layer A1, since it has fewer darkly colored neuronal bodies, and the brightness of the background (neuropil) is also reduced.

Различия в этих показателях между слоями А и А1 свидетельствуют о нарушениях, обусловленных косоглазием животного.Differences in these indicators between layers A and A1 indicate disturbances caused by the animal's strabismus.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет на гистологических срезах НКТд разделять слои А и А1 на функциональные зоны (сегменты) согласно ретинотопическим проекциям поля зрения, изучать распределение нейронов внутри сегмента и между сегментами, среднюю яркость сегмента. Предложенный способ открывает возможности для изучения распределения нейронов на срезах НКТд любой формы и выявлений структурных особенностей, возникающих в процессе онтогенеза или вызванных нарушением зрительного опыта. Назначение - в гистологических исследованиях для биологии и медицины при изучении слоистых структур головного мозга, а также при моделировании нарушений зрительного опыта на лабораторных животных.Thus, the proposed method allows dividing layers A and A1 into functional zones (segments) on histological sections of the NKTd according to retinotopic projections of the visual field, studying the distribution of neurons within a segment and between segments, and the average brightness of a segment. The proposed method opens up opportunities for studying the distribution of neurons on sections of the NKTd of any shape and identifying structural features that arise during ontogenesis or are caused by visual experience impairment. Purpose - in histological studies for biology and medicine when studying layered structures of the brain, as well as when modeling visual experience impairments on laboratory animals.

Источники информацииSources of information

1. Ковалев В.А., Левчук В.А. Картирование характеристик сверхбольших гистологических изображений раковой ткани. Информатика. 2012. 1: 12-17.1. Kovalev V.A., Levchuk V.A. Mapping characteristics of super-large histological images of cancer tissue. Informatics. 2012. 1: 12-17.

2. Gurean M.N., Boucheron L.E., Can A., Madabhushi A., Rajpoot N.M., Yener В. Histopathological image analysis: a review. IEEE Rev Biomed Eng. 2009. 2: 147-171. doi: 10.1109/RBME.2009.2034865.2. Gurean 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. doi: 10.1109/RBME.2009.2034865.

3. 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. Russian Federation Patent 2013765. Method for Determining the Numerical Density and Volume of Elements of Microscopic Structures in Tissues. IPC G01N 1/28, G01N 33/48. Prior. 14.08.1990.

4. Патент РФ 2523915. Система и способ интерактивной live-mesh сегментации. МПК G06F 3/0484, G06T 7/60. Приор. 02.03.2010.4. Russian Federation Patent 2523915. System and method for interactive live-mesh segmentation. IPC G06F 3/0484, G06T 7/60. Prior. 02.03.2010.

5. Bowling D.B., Wieniawa-Narkiewicz Е. The distribution of on- and off-centre X-and Y-like cells in the A layers of the cat's lateral geniculate nucleus. J. Physiol. 1986. 375: 561-572. doi:10.1113/jphysiol. 1986.sp016133.5. Bowling D.B., Wieniawa-Narkiewicz E. The distribution of on- and off-centre X-and Y-like cells in the A layers of the cat's lateral geniculate nucleus. J. Physiol. 1986. 375: 561-572. doi:10.1113/jphysiol. 1986.sp016133.

6. Mikhalkin A., Nikitina N., Merkulyeva N. Heterochrony of postnatal accumulation of nonphosphorylated heavy-chain neurofilament by neurons of the cat dorsal lateral geniculate nucleus. J. Сотр. Neurol. 2021. 529(7): 1430-1441. doi:10.1002/cne.25028.6. Mikhalkin A., Nikitina N., Merkulyeva N. Heterochrony of postnatal accumulation of nonphosphorylated heavy-chain neurofilament by neurons of the cat dorsal lateral geniculate nucleus. J. et al. Neurol. 2021. 529(7): 1430-1441. doi:10.1002/cne.25028.

7. 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. doi: 10.1113/jphysiol.1962.sp006991.7. 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. doi: 10.1113/jphysiol.1962.sp006991.

8. Sanderson K.J. The projection of the visual field to the lateral geniculate and medial interlaminar nuclei in the cat. J Соmр. Neurol. 1971. 143(1): 101-108. doi:10.1002/cne.901430107.8. 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. doi:10.1002/cne.901430107.

9. Sireteanu R., Fronius M. Naso-temporal asymmetries in human amblyopia consequence of long-term interocular suppression. Vision Res. 1981. 21: 1055-1063. doi: 10.1016/0042-6989(81)90010-9.9. Sireteanu R., Fronius M. Naso-temporal asymmetries in human amblyopia consequence of long-term interocular suppression. Vision Res. 1981. 21: 1055-1063. doi: 10.1016/0042-6989(81)90010-9.

10. Ikeda H., Jacobson S.G. Nasal field loss in cats reared with convergent squint: behavioural studies. J Physiol. 1977. 270(2): 367-381. doi:10.1113/jphysiol.1977.sp011957.10. Ikeda H., Jacobson S.G. Nasal field loss in cats reared with convergent squint: behavioral studies. J Physiol. 1977. 270(2): 367-381. doi:10.1113/jphysiol.1977.sp011957.

11. 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. doi: 10.1113/jphysiol. 1977.sp011956.11. 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. doi: 10.1113/jphysiol. 1977.sp011956.

12. 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. doi: 10.1002/cne.901720206.12. 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. doi: 10.1002/cne.901720206.

13. 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. Соmр. Neurol. 1970. 139(4): 413-421. doi:10.1002/cne.901390403.13. 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. doi:10.1002/cne.901390403.

14. Шкорбатова П.Ю., Топорова C.H., Алексеенко С.В. Различия метаболической активности в глазоспецифичных слоях дорсального ядра наружного коленчатого тела кошек при нарушении бинокулярного зрения. Сенсорные системы. 2015. 1: 56-62.14. Shkorbatova P.Yu., Toporova C.N., Alekseenko S.V. Differences in metabolic activity in eye-specific layers of the dorsal nucleus of the lateral geniculate body of cats with impaired binocular vision. Sensory Systems. 2015. 1: 56-62.

15. Михалкин А.А., Меркульева Н.С. Методика анализа отдельных популяций Y-нейронов в латеральном коленчатом теле у кошки. Морфология. 2016. 150(4): 84-89.15. Mikhalkin A.A., Merkulyeva N.S. Methodology for analyzing individual populations of Y-neurons in the lateral geniculate body of a cat. Morphology. 2016. 150(4): 84-89.

16. Патент РФ 2743577. Оптимизация взаимодействий пользователя при сегментации. МПК G06T 7/00, G06F 3/0484. Приор. 01.11.2016.16. Russian Federation Patent 2743577. Optimization of user interactions during segmentation. IPC G06T 7/00, G06F 3/0484. Prior. 01.11.2016.

17. O'Leary Т.Р., Kutcher M.R., Mitchell D.E., Duffy K.R. Recovery of neurofilament following early monocular deprivation. Front. Syst. Neurosci. 2012. 6: 22. doi:10.3389/fnsys.2012.00022.17. O'Leary T.R., Kutcher M.R., Mitchell D.E., Duffy K.R. Recovery of neurofilament following early monocular deprivation. Front. Syst. Neurosci. 2012. 6: 22. doi:10.3389/fnsys.2012.00022.

18. Burnat K., Van Der Gucht E., Waleszczyk W.J., Kossut M., Arckens 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. doi:10.1002/cne.23045.18. Burnat K., Van Der Gucht E., Waleszczyk W.J., Kossut M., Arckens 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. doi:10.1002/cne.23045.

Claims (1)

Способ изучения распределения нейронов в ретинотопических зонах на гистологическом срезе наружного коленчатого тела животных, включающий изготовление и окрашивание срезов, фотографирование срезов, выявление внешних границ слоев дорсального ядра НКТ и границы между этими слоями, маркирование местоположения нейронов на срезе, отличающийся тем, что маркером отмечают внешние границы слоев А и А1, внутреннюю границу между этими слоями, а также окрашенные нейроны, выделенные границы аппроксимируют наборами прямолинейных отрезков, разбивают внешние границы слоев на заданное количество отрезков равной длины, пронумерованных для каждого из слоев слева направо, концы отрезков, аппроксимирующих внешние границы, с одинаковыми номерами соединяют попарно, получая сегменты, после чего измеряют площадь каждого сегмента, определяют распределение нейронов между сегментами как плотность нейронов и распределение нейронов внутри сегмента на основе расстояния от нейронов до внешней границы слоя и границы между слоями.A method for studying the distribution of neurons in retinotopic zones on a histological section of the lateral geniculate body of animals, including the preparation and staining of sections, photographing sections, identifying the outer boundaries of the layers of the dorsal geniculate nucleus of the NGT and the boundary between these layers, marking the location of neurons on the section, characterized in that the outer boundaries of layers A and A1, the inner boundary between these layers, as well as the stained neurons, are marked with a marker, the selected boundaries are approximated by sets of rectilinear segments, the outer boundaries of the layers are divided into a given number of segments of equal length, numbered for each of the layers from left to right, the ends of the segments approximating the outer boundaries, with the same numbers are connected in pairs, obtaining segments, after which the area of each segment is measured, the distribution of neurons between segments is determined as the density of neurons and the distribution of neurons within a segment based on the distance from the neurons to the outer boundary of the layer and the boundary between the layers.
RU2023122867A 2023-09-01 Method for studying distribution of neurons in retinotopic zones on histological section of corpus geniculatum laterale of animals RU2828670C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2828670C1 true RU2828670C1 (en) 2024-10-15

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825908A (en) * 1995-12-29 1998-10-20 Medical Media Systems Anatomical visualization and measurement system
GB2344419A (en) * 1998-12-03 2000-06-07 Mast Group Limited Determination of micro-organism growth by radial scans of an image pixel map
RU2165243C2 (en) * 1996-12-24 2001-04-20 Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. акад. Г.А. Илизарова Stereological method and unit for connecting supporting members of apparatus for evaluating distraction osteogenesis
RU2291488C9 (en) * 2002-06-24 2007-04-20 Ренат Анатольевич Красноперов Method for stereological examination of objects structural organization

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825908A (en) * 1995-12-29 1998-10-20 Medical Media Systems Anatomical visualization and measurement system
RU2165243C2 (en) * 1996-12-24 2001-04-20 Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. акад. Г.А. Илизарова Stereological method and unit for connecting supporting members of apparatus for evaluating distraction osteogenesis
GB2344419A (en) * 1998-12-03 2000-06-07 Mast Group Limited Determination of micro-organism growth by radial scans of an image pixel map
RU2291488C9 (en) * 2002-06-24 2007-04-20 Ренат Анатольевич Красноперов Method for stereological examination of objects structural organization

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ВЕЩИЦКИЙ А.А. Исследование морфофункциональной архитектуры сенсомоторных нейронных сетей спинного мозга кошки, обеспечивающих ходьбу в разных направлениях. Автореф. дисс. к.б.н. Санкт-Петербург, 2019, 24 с. Никитин Е.С. Пространственная организация нервной клетки как основа клеточных и сетевых механизмов пластичности. Диссер. д.б.н. Москва - 2014, 284 с. (см. с. 183- 216). Tewari А. et al., Quantitative Characterization of Spatial Arrangement of Micropores in Cast Microstructures. Materials CharacterizationVolume 40, Issue 2, February 1998, pp. 119-132. Duyckaerts С. et al., Evaluation of neuronal numerical density by Dirichlet tessellation. Journal of Neuroscience Methods, vol. 51, is. 1, January 1994, pp. 47-69. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Archer et al. A template and probabilistic atlas of the human sensorimotor tracts using diffusion MRI
Ibanez et al. Immunofluorescence staining using IBA1 and TMEM119 for microglial density, morphology and peripheral myeloid cell infiltration analysis in mouse brain
Penhune et al. Cerebellum and M1 interaction during early learning of timed motor sequences
Takemura et al. Occipital white matter tracts in human and macaque
Pugliese et al. The anatomy of extended limbic pathways in Asperger syndrome: a preliminary diffusion tensor imaging tractography study
Witelson et al. The relationship of hand preference to anatomy of the corpus callosum in men
Oler et al. Connectivity between the central nucleus of the amygdala and the bed nucleus of the stria terminalis in the non-human primate: neuronal tract tracing and developmental neuroimaging studies
Nilakantan et al. Distinguishing the precision of spatial recollection from its success: Evidence from healthy aging and unilateral mesial temporal lobe resection
Luders et al. A voxel-based approach to gray matter asymmetries
Saygin et al. Connectivity-based segmentation of human amygdala nuclei using probabilistic tractography
Caspers et al. Receptor architecture of visual areas in the face and word-form recognition region of the posterior fusiform gyrus
Holinger et al. Relative sparing of primary auditory cortex in Williams syndrome
Glaser et al. Stereology for biological research: with a focus on neuroscience
Persson et al. Predicting episodic and spatial memory performance from hippocampal resting‐state functional connectivity: Evidence for an anterior–posterior division of function
Bennett et al. White matter tract integrity predicts visual search performance in young and older adults
Majka et al. Unidirectional monosynaptic connections from auditory areas to the primary visual cortex in the marmoset monkey
Hartogsveld et al. Lateral frontal pole and relational processing: activation patterns and connectivity profile
Taddei et al. Brain white matter organisation in adolescence is related to childhood cerebral responses to facial expressions and harm avoidance
Levine et al. Quantified MRI and cognition in TBI with diffuse and focal damage
US20220012879A1 (en) Cellular diagnostic and analysis methods
Kramer et al. Magnetic resonance imaging correlates of set shifting
Bassell et al. Diffusion tensor imaging abnormalities in the uncinate fasciculus and inferior longitudinal fasciculus in Phelan-McDermid syndrome
Snytte et al. The ratio of posterior–anterior medial temporal lobe volumes predicts source memory performance in healthy young adults
RU2828670C1 (en) Method for studying distribution of neurons in retinotopic zones on histological section of corpus geniculatum laterale of animals
Guerra et al. Human cortical amygdala dendrites and spines morphology under open‐source three‐dimensional reconstruction procedures