RU2845972C1 - Способ непрерывного наблюдения активности мозга мыши - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу непрерывного наблюдения активности мозга мыши на основе объемных изображений, полученных с помощью фотоакустической компьютерной томографии. В предложенном способе применяют подготовленное объемное изображение мозга мыши, полученное с помощью фотоакустической компьютерной томографии. Данное изображение преобразовывают к двумерному плоскому виду путем свертки третьего измерения активности мозга суммарным сигналом активности мозга по глубине. На получившемся изображении определяют точку с максимальным сигналом и радиус области с центром в этой точке, такой, что суммарный сигнал в этой области составляет не менее 50% от суммарного сигнала, распределенного на всем изображении. Полученную область переносят на сформированную заранее карту распределения плотности нейронной активности в высоком разрешении. Затем определяют местонахождение первичного нервного раздражения, которое вводят в компьютер по определенному правилу. После производят компьютерный расчет релаксации первичного нервного возбуждения, получая в каждый момент времени изображения высокого качества, демонстрирующие процесс ослабления нервного раздражения. Из полученных изображений формируют видеоряд, в котором наблюдается непрерывная нейронная активность мозга мыши. Изобретение обеспечивает построение карты плотности нейронной активности мозга мыши высокого разрешения, для демонстрации непрерывности которой строится видеоряд, составленный из последовательных двумерных изображений высокого качества, полученных в результате применений объекта технологии настоящего способа для каждого момента времени регистрации активности. 1 ил.

Description

Данный способ относится к области медицинских измерительных систем, конкретно к методу моделирования нейронной активности мозга, с получением информации об активности различных зон головного мозга мыши.

Одним из способов, исследования мозга, является построения его цифрового двойника. Цифровой двойник мозга - это понятие, которое описывает создание компьютерной модели, которая может имитировать его функции с достаточно высокой точностью. Данные о нейронной активности мозга мыши, которые получили в какой-то момент времени в прошлом, не дают точной характеристики о состоянии ее мозга в текущий момент времени.

Существующие методы функциональной и структурной визуализации мозга, имеют небольшое разрешение полученных изображений, а также не способны до конца регистрировать быстрые изменения активности мозга. Большинство методов оптической визуализации могут отображать мозг только на 1 мм вглубь, и требуют для этого использования живого существа, предварительно выращенного в лабораторных условиях, с определенным флуоресцирующим белком в мозге.

Наиболее близким по техническому решению является статья «Rapid volumetric optoacoustic imaging of neural dynamics across the mouse brain (Быстрая объемная оптоакустическая визуализация нейронной активности мозга мыши)» [Sven Gottschalk, Oleksiy Degtyaruk, Benedict Mc Larney, Johannes Rebling, Magdalena Anastasia Hutter, Xosé Luís Deán-Ben, Shy Sho-ham & Daniel Razansky, Nature Biomedical Engineer-ing vol. 3, p. 392-401 (2019)], в которой живую мышь, выращенную в лабораторных условиях и экспрессирующую генетически кодируемый индикатор кальция GCaMP6f, помещают в специальную установку предназначенную для ее фиксации. Для явной демонстрации изменения активности мозга, в заднюю лапу мыши вводят иглу, через которую с разным промежутком времени пускают электрический ток. Используя остальную часть установки, которая содержит в себе оптоакустический томограф, фиксируют изменения активности мозга и получают изображения этих изменений.

Недостатком вышеуказанного способа является то что, для этого способа необходимы специальные лабораторные мыши и установка, с дорогостоящим оборудованием, в которую они помещаются. Также изображения, полученные в этом способе, имеют небольшое разрешение.

Данный способ предлагает создание карты нейронной плотности мозга мыши высокого разрешения, на которой можно визуализировать непрерывный процесс нейронной активности, что позволит моделировать различные процессы нервного возбуждения, без применения дорогостоящего оборудования и использования специально выращенных лабораторных мышей.

Способ включает в себя объемное изображение мозга мыши, полученные с помощью метода фотоакустической компьютерной томографии [Lei Li, Jun Xia, Guo Li, Alejandro Garcia-Uribe, Qiwei Sheng, Mark A. Anastasio, Lihong V. Wang, Label-free photoacoustic tomography of whole mouse brain structures ex vivo // Neurophotonics, Vol. 3, Issue 3, 035001 (July 2016)], преобразованное к виду двумерного плоского изображения, путем свертки третьего измерения активности мозга суммарным сигналом активности мозга по глубине: на получившемся изображении размером, в диапазоне от 100 до 200 точек для одного измерения, определяют точку с максимальным сигналом и радиус круглой области с центром в этой точке, такой, что суммарный сигнал в данной области составляет не менее 50% от суммарного сигнала, распределенного на всем изображении.

В рамках данного метода на определённой области двумерного пространства реконструируется динамика перемещения элементарных объектов в соответствии со следующим принципом: в каждый последующий момент времени статистическое распределение объектов по пространству (сколько % времени они были в каждой точке пространства) всё более устремляется к эталонному распределению. В контексте настоящей задачи эталонным является распределение плотности нейронной ткани головного мозга лабораторной мыши а изначальное распределение описывает дисбаланс плотности нейронной ткани и нагруженной на неё плотности нейронной активности. Под объектом подразумевают единичный нервный импульс, способный к перемещению по нервной ткани, а направление его перемещения определяют из восьми вариантов, соответствующих двум горизонтальным, двум вертикальным и четырём диагональным направлениям. Для каждого варианта (индекс p = 1…8) используется следующая метрика: где (x _p , y _p ) - результирующее положение импульса, если соответствующий вариант будет принят; i - текущий номер итерации численного метода; Принимают вариант с минимальным Каждое перемещение импульса оставляет за собой на изображении точку, которая и будет иллюстрировать динамику нейронной активности. Таким образом, моделируют нейронную активность мозга мыши, на изображении с разрешением, в диапазоне от 1000 до 1400 точек для одного измерения. Последовательной обработкой нейронной активности в каждый момент времени, получают двумерные изображения, которые формируют видеоряд, демонстрирующий непрерывный процесс релаксации нервного раздражения мозга мыши. На Фиг. 1 приведен пример таких изображений.

Техническим результатом способа, является графическое представление, в высоком разрешении, карты плотности нейронной активности, которая итеративно реконструирует процесс релаксации плотности активности во всю нервную ткань мозга, что и выделяет наиболее активные зоны, участвующие в процессе.

Claims (1)

1. Способ непрерывного наблюдения нейронной активности зон мозга лабораторной мыши на объемных изображениях мозга мыши, полученных с помощью фотоакустической компьютерной томографии, отличающийся тем, что объемные изображения преобразовывают к виду плоского монохромного изображения мозга сверху путем свертки третьего измерения суммарным сигналом активности мозга по глубине, на получившемся изображении в диапазоне от 100 до 200 точек для одного измерения определяют точку с максимальным сигналом и радиус круглой области с центром в этой точке, такой, что суммарный сигнал в данной области составляет не менее 50% от суммарного сигнала, распределенного на всем изображении, сформированную область переносят на подготовленную заранее плоскую карту распределения плотности нейронной ткани мозга мыши в высоком разрешении, увеличенном от исходного изображения порядка в 10 раз, определяют местонахождение первичного нервного раздражения, таким образом, что вся нейронная активность равномерно распределена внутри области, вне области активности нет, производят компьютерный расчёт релаксации первичного нервного возбуждения в основные зоны мозга, представленные картой плотности нейронной ткани высокого разрешения, затем производят графическое построение результирующей карты нейронной активности высокого разрешения, при этом на основе последовательно построенных двумерных графических изображений строят видеоряд для демонстрации непрерывности процесса.