Reconstrução tridimensional de neurônios humanos com aplicação morfológica ao núcleo central da amígdala

Abstract

A elaboração e análise de reconstruções tridimensionais (3D) de imagens microscópicas consiste em uma das principais linhas de evidência que vem sendo agregadas à neuromorfologia nos últimos anos. Os programas mais usados para esse propósito são de código proprietário, comerciais (Neurolucida, Imaris, Amira, etc.), e o preço de suas licenças representa um entrave à ampla contribuição na área e, consequentemente, ao avanço do conhecimento científico. Além disso, limitações éticas, culturais e metodológicas, acarretam em desafios adicionais ao estudo de células humanas, fato que repercute no número de reconstruções 3D de neurônios disponíveis para acesso (e.g., menos de 6% das entradas do banco de dados NeuroMorpho são de tecido humano). Neste trabalho, foram realizadas reconstruções 3D de 61 neurônios humanos, dos quais 10 são oriundos do núcleo cortical da amígdala e 51 do núcleo central amigdaloide (Ce). Essa última região permanece inexplorada até o momento em termos de visualização 3D, porém sugere-se que tenha funções relacionadas à conversão de informações sensoriais em respostas fisiológicas e mudanças comportamentais. Todos os modelos tridimensionais foram elaborados principalmente a partir de dois programas gratuitos (Neuromantic e Ilastik), de código aberto, utilizados na reconstrução de neurônios e espinhos dendríticos, respectivamente. As reconstruções, que serão disponibilizadas no NeuroMorpho, foram estudadas e organizadas em dois eixos temáticos. Em um artigo já publicado, foi exemplificado o uso prático dos programas Neuromantic e Ilastik para a reconstrução de neurônios e espinhos dendríticos, incluindo uma discussão sobre as suas limitações e importância. No segundo estudo, neurônios do Ce foram reconstruídos em 3D e classificados em quatorze grupos, o que constitui população heterogênea quando comparada à encontrada nos núcleos medial e cortical amigdaloides, sob emprego de métodos similares. Os grupos celulares encontrados no Ce e as possibilidades de combinações que a circuitaria pode assumir a partir dessa diversidade neuronal corroboram para explicar a complexidade envolvida no processamento das múltiplas funções atribuídas ao referido núcleo. Em conjunto, os dois trabalhos demonstram a validação do emprego de programas gratuitos, associados a técnicas histológicas e microscópicas de baixo custo, para apuração e descrição da morfologia neuronal. Os modelos 3D produzidos contribuem com informações de células nervosas de indivíduos neurotípicos, conhecimento que pode auxiliar na investigação de alterações celulares patológicas, assim como na prospecção de novas abordagens terapêuticas.

The elaboration and analysis of tridimensional (3D) reconstructions from microscopic images is one of the main lines of evidence being incorporated into neuromorphology in the last few years. The most commonly used software for this purpose are proprietary and commercial (Neurolucida, Imaris, Amira, etc.), and their prices present an obstacle to the broad contribution to this field and to the advance of scientific knowledge. Furthermore, ethical, cultural, and methodological limitations result in additional challenges to the study of human cells, a fact that affects the number of 3D neuron reconstructions available for access (e.g., less than 6% of entries in the NeuroMorpho database are human tissue). In this work, 3D reconstructions of 61 human neurons were performed, of which 10 are from the cortical amygdaloid nucleus and 51 are from the central amygdaloid nucleus (Ce). This last region is hitherto unexplored in terms of 3D visualization, but it’s suggested to have functions related to the conversion of sensory information into physiological responses and behavioral changes. All tridimensional models were created mainly from two free open-source software (Neuromantic and Ilastik), respectively used in the neuron and dendritic spines reconstructions. The reconstructions, which will be made available on NeuroMorpho, were studied and organized into two thematic axes. In a published paper, the practical use of the Neuromantic and Ilastik software for the reconstruction of neurons and dendritic spines was demonstrated, including a discussion of their limitations and importance. In a second study, Ce neurons were reconstructed and classified into fourteen groups, constituting a heterogeneous population compared to those found in the medial and cortical amygdaloid nuclei, using similar methods. The cell groups found in Ce and the possible neural circuit combinations that can result from this neuronal diversity corroborate to explain the complexity involved in processing the multiple functions attributed to this nucleus. Taken together, these two studies validate the use of free software, associated with low-cost histological and microscopic techniques, to determine and describe neuronal morphology. The 3D models produced make available information on nerve cells of neurotypical individuals, knowledge that can aid the investigation of pathological cellular alterations, as well as the prospection of new therapeutic approaches.