ニューロンのセグメンテーションと標準脳へ のレジストレーション (Ai et al., in prep.) (Ikeno et al., in prep.) 池野英利 兵庫県立大学 2015年7月16日 ブレインアトラスハッカソン・アイデアソン （於 理化学研究所） 標準脳の構築と活用 • 共焦点レーザ顕微鏡画像のセグメンテーション – ニューロンのセグメンテーション • 標準脳の構築と活用 – 標準脳の構築 – ニューロンのレジストレーション ニューロンの共焦点顕微鏡画像 • 蛍光染色(Lucifer Yellow, Alexa and so on)された ニューロンを対象 • 共焦点レーザ顕微鏡に よって深さ方向（Z方向） を含めた画像が得られ ている この画像からニューロンの 3次元形態を抽出する (Ai et al., in prep.) (Ai et al., in prep.) ニューロン形態抽出ソフトウェア: SIGEN • SIGENは共焦点レーザ顕微鏡画像から細胞の形態を抽出 するために開発 • 形態抽出結果はSWCフォーマットで出力 • Windows, Linux, MacOSXで利用可能 • GUI、コマンドラインから実行可能 （Minemoto et al., 2011) ニューロン構造の再構築 Single Seed Distance Transform (SSDT, Zhou et al., 1999) 1. 初期ボクセルを決定 2. 近接ボクセルに距離値 を伝搬 3. 各クラスタの重心ボク セルを決定 4. 重心ボクセルを接続し て構造を再構築 5. クラスタサイズに基づき 分枝半経を計算 断片セグメントの接続 （１） セグメントサイズによる評価 • セ グ メ ン ト の サ イ ズ が V T (Volume Threshold)より大き い場合は、ニューロンの一部 として接続する ギャップ距離による評価 • 主枝上の最も近いボクセル との距離を計算 • その距離Di がDT (Distance Threshold)より小さい場合は、 ニューロンの一部として接続 する D1, D2 < DT D3 > DT 断片セグメントの接続 （２） • 接続アルゴリズムを繰り 返し適用 • 全ニューロン構造を取得 D1< DT DIADEM Challenge 嗅覚投射神経の形態抽出 Manual segmentaZon (1) SIGEN (0.934) NeuTube (0.869) Vaa3D (0.773) (Ikeno et al., in prep.) DIADEM metricによる抽出精度評価 * *) Many small branches caused by noise are segmented. Average score became 0.733 without OP8 sample. ミツバチDL領域における振動感知介在細胞 粒状神経突起領域 スムーズ神経突起領域 細胞体領域 (Ai et al., in prep.) (HB130430-‐1) 細胞体領域のセグメンテーション • ITK-‐SNAP (Snake segmentaZon)による セグメンテーション • SIGENによるセグメ ンテーション Parameters: DT=5μm, VT=0.648μm3 • SWCファイル出力 スムーズ領域のセグメンテーション • スムーズな領域のセグメン テーション • 画像ファイルの2値化 • SIGENによるセグメンテー ション DT: 5 μm VT: 0.648 μm3 (Ai et al., in prep.) (Ikeno et al., in prep.) 粒状領域のセグメンテーション (Ai et al., in prep.) • 粒状の形態を持つ領域 のセグメンテーション • 画像の2値化 • SIGENによるセグメンテー ション DT: 20 μm VT: 0.648 μm3 (Ikeno et al., in prep.) セグメンテーション結果の結合 (Ikeno et al., in prep.) vaa3D and NeuTubeによる表示 (Ai et al., in prep.) ニューロンのセグメンテーション • ニューロンの形態は細胞機能と密接に結び ついている • 樹状形状の追跡には、専用のソフトウェアが 有効 • 画像の質、ニューロン各部の形態的特徴など に応じた前処理、ソフトウェアの利用が有効 平均脳形状の算出（脳形状の平均化） 剛体変換による脳画像の 位置合わせ ランドマークの設定 平均脳形状の算出 平均脳画像 スムージ ング処理 ２値化画像 平均脳形状 標準脳白地図（平均脳形状地図） 脳領域画像のマッピング 脳の外形の特徴的な点をランドマーク として設定し、非剛体変換(Thin-‐plate Spline transform)を含めた画像変換に より画像をあてはめ 抽出された脳領域と標準脳への組み込み（レジストレーション） ランドマークに基づくニューロンのレジストレーション カイコガ標準脳画像 標準脳上のランドマーク ニューロンの共焦点レーザ 顕微鏡画像 (Ikeno et al., 2012) 共焦点レーザ顕微鏡画像上 のランドマーク ImageJ(Fiji)-‐plugin sohware (NeuroRegister) によるレジストレーション 標準脳にレジストレーションされ たニューロン レジストレーションされたニューロンのSWCファイル 細胞データベースに基づく標準脳構築 ニューロンの形態・応答データベース ・カイコガ(オス)： メスのフェロモン(嗅覚刺激)に反応 情報の蓄積 (Kazawa,Ikeno and Kanzaki, 2008) カイコガ標準脳 （Standard Brain） 共焦点レーザー 顕微鏡 脳のスライス画 像を連続で取得 t al., 2012) (Ikeno (Ikeno et al., 2e012) 脳の平均形状 細胞、組織地図 関連ツール • • • • • • • 画像処理：Fiji (ImageJ), ITK ニューロン形態抽出：Vaa3D, neuTube, SIGEN 領域抽出：ITK-‐SNAP レジストレーション：Fiji, ITK ビュアー：Fiji, Vaa3D, NeuTube, Paraview 評価： DIADEM metric, L-‐measure, R ソフトウェア連携： Python Bigneuron hackathon (June 1-‐5, 2015) Start plugin from the menu tracing_menu: one by one selng parameters extract: all parameter can be set on one window Example of result (#25 of first2000) SIGEN plugin module for vaa3D • Run vaa3D • Load image by vaa3D (unzipped image) • Start plugin – Fiji read same image file, output BMP image sequence into /var/tmp/ – SegmentaZon sohware, MrophExtractorCL.exe, is run with Mono (.NET environment emulator). – Results is stored in a SWC file. (image filename)_SIGEN.swc
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