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凡克实验室/ 出版物
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19出版物

显示19个结果中的1-10个
06/28/22|果蝇求偶歌特征检测的神经网络组织。
Baker CA, McKellar C, Pang R, Nern A, Dorkenwald S, Pacheco DA, Eckstein N, Funke J, Dickson BJ, Murthy M
当代生物学.2022年6月28日:.doi: 10.1016 / j.cub.2022.06.019

动物在广泛的环境中使用声音进行交流,听觉系统必须编码与行为相关的声学特征,以驱动适当的反应。特征检测如何沿着听觉通路出现一直很难解决,因为在绘制底层电路和描述对行为相关特征的反应方面存在挑战。在这里,我们研究了黑腹果蝇大脑中的听觉活动,并研金宝搏官方究了果蝇求偶歌声的两种主要模式——正弦信号和脉冲序列的特征选择性。我们确定了听觉通路中间层的24种新细胞类型,并使用一种新的连接组资源FlyWire,我们绘制了这些细胞类型之间的所有突触连接,除了与已知的早期和高阶听觉神经元的连接之外——这代表了听觉通路的第一个电路级图。此外,我们还确定了听觉连接组中大多数突触的信号(兴奋性或抑制性)。我们发现,听觉神经元对求偶歌曲模式表现出连续的偏好,而具有不同歌曲模式偏好和响应时间尺度的神经元在缺乏等级结构的网络中高度相互联系。尽管如此,我们发现连接组中单个细胞类型的响应特性是可以从它们的输入中预测的。因此,我们的研究为果蝇大脑中的听觉编码组织提供了新的见解。

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04/02/22|多巴胺能回路的层次结构使果蝇的二级条件反射成为可能
山田大一,丹尼尔·布什,李峰,凯伦·希巴德,梅根·萨蒙斯,简·芬克,Ashok Litwin-Kumar, higtoshihide, Yoshinori Aso
bioRxiv.2022年4月02日:.doi: 10.1101 / 2022.03.30.486484

具有独特投射模式和生理特性的多巴胺能神经元组成了大脑中的记忆子系统。然而,人们对它们在复杂学习过程中是否或如何相互作用知之甚少。在这里,我们发现了多巴胺子系统之间形成的前馈电路,并表明它对二阶条件反射(一种行为学上重要的高阶联想学习形式)至关重要。的果蝇蘑菇体由一系列多巴胺能隔室组成,每个隔室表现出不同的记忆动态。通过连接组分析和神经递质预测,我们发现一个缓慢而稳定的记忆区可以作为一个有效的“老师”,通过一个关键的中间神经元指导其他更快和短暂的记忆区。在一级条件作用后,这种兴奋性中间神经元对奖励预测气味的反应增强,激活后,在“学生”区激发多巴胺释放。这些多巴胺子系统之间的层级联系解释了行为心理学家早就知道的一阶和二阶记忆的不同特性。

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03/26/22|遗传性痉挛性截瘫皮质脊髓轴突的横向内质网扩张。
朱鹏,洪洪,Batchenkova N, Nixon-Abell J, Henderson J,郑鹏,Renvoisé B,庞硕,徐春春,Saalfeld S, Funke J,谢煜,Svara F, Hess HF, Blackstone C
人类分子遗传学.2022年3月26日:.doi: 10.1093 /物流/ ddac072

遗传性痉挛性截瘫(HSPs)是一组影响最长皮质脊髓轴突(SPG1-86等)的遗传性神经系统疾病,具有下肢痉挛和步态障碍的共同表现。常见的常染色体显性HSPs是由编码微管切割atp酶spastin (SPAST;SPG4),膜结合的GTPase atlastin-1 (ATL1;SPG3A)和网状样微管结合蛋白REEP1 (REEP1;SPG31)。这些蛋白质相互结合,在形成管状内质网(ER)网络中起作用。一般来说,高敏感人群的小鼠模型具有轻微的、晚发的表型,可能反映出它们的皮质脊髓轴突长度比人类短得多。在这里,我们生成了一个健壮的HSP双突变小鼠模型,其中atlastin-1通过K80A敲入(KI)错义变化进行基因修饰,从而废除其GTPase活性,而其结合伙伴Reep1则被敲除。金宝搏官方在一些运动功能测试中,at1ki /KI/Reep1-/-小鼠表现出早发性和快速进行性下降。此外,基于聚焦离子束扫描电子显微镜数据集的重建,使用基于机器学习的自动分割,突变体皮质脊髓轴突中的ER以突变剂量依赖性的方式急剧横向和周期性地扩展,形成梯状外观。 In lockstep with changes in ER morphology, axonal mitochondria are fragmented and proportions of hypophosphorylated neurofilament H and M subunits are dramatically increased in Atl1KI/KI/Reep1-/- spinal cord. Co-occurrence of these findings links ER morphology changes to alterations in mitochondrial morphology and cytoskeletal organization. Atl1KI/KI/Reep1-/- mice represent an early-onset rodent HSP model with robust behavioral and cellular readouts for testing novel therapies.

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11/01/21|体积电子显微镜下的全细胞细胞器分割。
Heinrich L, Bennett D, Ackerman D, Park W, Bogovic J, Eckstein N, Petruncio A, Clements J, Pang S, Xu CS, Funke J, Korff W, Hess HF, lippintt - schwartz J, Saalfeld S, Weigel AV, COSEM项目团队
自然.2021年11月1日;599(7883):141 - 46.doi: 10.1038 / s41586 - 021 - 03977 - 3

细胞包含数以百计的细胞器和大分子组合。要想完全了解细胞错综复杂的组织结构,就需要对整个细胞进行纳米级的三维重建,而这只有通过稳健且可扩展的自动化方法才能实现。为了支持这类方法的发展,我们在聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)下以4 nm /体素的近各向同性分辨率对来自多种细胞类型的不同样本量的不同样本中注释了多达35种不同的细胞器类别——从内质网到微管到核糖体。我们训练了深度学习架构,以每体素4纳米和8纳米的FIB-SEM体积分割这些结构,验证了它们的性能,并表明自动重构可用于直接量化以前无法达到的指标,包括细胞组分之间的空间相互作用。我们还表明,这种重建可用于自动配准光学和电子显微镜图像的相关研究。我们已经创建了一个开放的数据和开源的网络存储库“OpenOrganelle”,来共享数据、计算机代码和训练过的模型,这将使各地的科学家能够查询和进一步改进这些数据集的自动重建。

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07/01/21|果蝇全脑EM数据集突触伙伴的自动检测
Buhmann J, Sheridan A, Gerhard S, Krause R, Nguyen T, Heinrich L, Schlegel P, Lee WA, Wilson R, Saalfeld S, Jefferis G, Bock D, Turaga S, Cook M, Funke J
自然方法.2021年7月1日;18(7):771 - 4.doi: 10.1038 / s41592 - 021 - 01183 - 7

神经回路的研究需要重建神经元和识别神经元之间的突触连接。为了将重建扩展到全脑数据集的大小,需要采用半自动方法来解决这些任务。本文提出了一种自动识别昆虫大脑突触伙伴的方法,该方法使用卷积神经网络来识别突触后位点及其突触前伙伴。该网络可以仅从人工生成的点注释训练,只需要简单的后处理就可以获得最终的预测。我们使用我们的方法从50万亿像素的全成年苍蝇大脑(FAFB)电子显微镜(EM)数据集中提取了2.44亿个假定的突触伙伴,并评估了其准确性,从四个不同大脑区域的702个总电缆长度为312毫米的神经元中提取了146643个突触。预测的突触连接可以与神经元分割一起使用,从而推断出一个准确率很高的连通性图:连接神经元之间96%的边缘被正确地分类为弱连接(少于5个突触)和强连接(至少5个突触)。我们对FAFB数据集的突触伙伴预测是公开的,还有一个查询库,允许自动检索上下游神经元。

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02/04/20|用自动透射电子显微镜重建成年果蝇运动控制电路
Maniates-Selvin JT, Hildebrand DG, Graham BJ, Kuan AT, Thomas LA, Nguyen T, Buhmann J, Azevedo AW, Shanny BL, Funke J, Tuthill JC, Lee WA
细胞.2月4日;184(3):.doi: 10.1101 / 2020.01.10.902478

许多动物使用协调的肢体运动来与环境互动并在环境中导航。为了研究运动行为背后的电路机制,我们使用串行切片电子显微镜(EM)来绘制控制肢体运动的神经元网络内的突触连通性。我们提出了一个包含成年雌性黑腹果蝇腹神经束(VNC)的突触分辨EM数据集。为了生成这个数据集,我们开发了GridTape,这是一种结合了自动串行切片采集和自动高通量传输EM的技术。使用这个数据集,我们重构了507个运动神经元,包括所有控制腿和翅膀的神经元。我们展示了一类特定的腿感觉神经元直接连接到身体两侧最大口径的运动神经元轴突上,代表了一种独特的快速肢体控制反馈途径。我们提供对数据集和注册到标准图谱的重构的开放访问,以允许在EM和光显微镜数据之间进行细胞匹配。我们还提供GridTape仪器设计和软件,使科学界更容易获得和负担得起大规模的电磁数据采集。

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12/01/20|x射线全息纳米层析成像的致密神经元重建。
Kuan AT, Phelps JS, Thomas LA, Nguyen TM, Han J, Chen C, Azevedo AW, Tuthill JC, Funke J, Cloetens P, Pacureanu A, Lee WA
自然神经科学.2020年12月1日;23(12):1637 - 43.doi: 10.1038 / s41593 - 020 - 0704 - 9

金博宝188登录成像神经网络为理解神经系统提供了基础,但在大体积上分辨密集的纳米级结构对光学显微镜(LM)和电子显微镜(EM)来说仍然具有挑战性。在这里,我们展示了x射线全息纳米断层扫描(XNH)可以以低于100纳米的分辨率成像毫米尺度的体积,使黑腹果蝇和小鼠神经组织中的密集线路重建成为可能。我们用相关的XNH和EM重建了数百个皮层锥体细胞,结果显示更多的表层细胞在其顶端树突上受到更强的突触抑制。通过结合多次XNH扫描,我们对成年果蝇的腿进行了成像,以足够的分辨率全面分类机械感觉神经元,并追踪从肌肉到中枢神经系统的单个运动轴突。为了加速神经元重构,我们训练了一个卷积神经网络来自动从XNH卷中分割神经元。因此,XNH弥合了LM和EM之间的关键差距,为神经电路发现提供了新的途径。

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09/17/20|电子显微镜体积中的微管跟踪
尼尔斯·埃克斯坦,茱莉亚·布曼,马修·库克,简·冯克
医学图像计算与计算机辅助干预国际会议.2020年9月17日:

我们提出了一种电子显微镜体积微管跟踪的方法。我们的方法首先识别出可能属于微管的稀疏体素集。与之前的工作类似,然后我们枚举这些体素之间的潜在边,我们在候选图中表示这些边。通过在候选图中选取节点和边,并结合微管结构的生物先验条件求解约束优化问题,找到微管的轨迹。为此,我们提出了一种新的整数线性规划公式,其结果是与现有技术相比,速度提高了三个数量级,准确性提高了53%。2 × 4 × 4 μ m体积的果蝇神经组织)。我们还提出了一个方案来解决优化问题在块的方式,这允许分布式跟踪,是必要的处理非常大的电子显微镜体积。最后,我们发布了一个用于微管跟踪的基准数据集,在这里用于训练、测试和验证,包括8个30 x 1000 x 1000体素块(1。2 × 4 × 4 μ m)的微管在CREMI数据集(https://github.com/nilsec/micron).

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09/10/20|Inpainting网络学会在显微镜图像中分离细胞
伍尔夫,汉普雷希特FA,芬克J
英国机器视觉会议.2020年9月:

训练为部分闭塞的图像补漆的深度神经网络显示出对图像组成的深刻理解,甚至已经被证明可以令人信服地从图像中去除物体。在这项工作中,我们研究如何使用这种图像组成的隐性知识来分离密集的显微镜图像中的细胞。我们提出了一种测量两个图像区域的独立性的方法,给出了一个完全自监督的嵌入网络,并通过最大化这种独立性来分离物体。我们在两个细胞分割数据集上评估了我们的方法,并表明细胞可以完全无监督分离。此外,结合简单的前景检测,我们的方法产生的实例分割质量类似于全监督方法。

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09/02/20|果蝇突触部位的电子显微镜图像神经递质分类
埃克斯坦N,贝茨AS,杜M,哈滕斯坦V,杰弗里斯GS,芬克J
bioRxiv.2020年9月2日:.doi: 10.1101 / 2020.06.12.148775

神经系统的高分辨率电子显微镜(EM)能够在单个突触连接的水平上重建神经回路。然而,对于像黑腹果蝇这样的无脊椎动物,目前还不清楚神经元或突触的表型是否足以预测特定的功能属性,如神经递质的身份。在这里,我们展示了在黑腹果蝇中,人工卷积神经网络可以仅从EM图像就有把握地预测突触部位释放的神经递质类型。该网络成功地区分了六种类型的神经递质(GABA、谷氨酸、乙酰胆碱、血清素、多巴胺和章鱼胺),对单个突触的平均准确率为87%,对整个神经元的平均准确率为94%,假设每个神经元只表达一种神经递质。这个结果是令人惊讶的,因为在电磁图像中通常没有明显的线索,人类观察者可以用来预测神经递质的身份。我们应用所提出的方法来量化是否与腹侧神经系统(VNS)相似,黑腹果蝇大脑中的所有半神经元只在神经元中表达一种快速作用的传递素。为了验证这一原理,我们预测了黑腹果蝇成年大脑中89个半神经元中所有已识别突触的神经递质身份。虽然我们的大多数预测显示在单个半基因中快速作用神经递质的同质性,但我们确定了一组表达两种快速作用神经递质的半基因,具有高度的统计学意义。因此,我们的预测与假设不一致,假设半脑内的所有神经元都在黑腹果蝇的大脑中表达相同的快速作用神经递质。

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