解析大脑全部细胞的云系统的开发 - -日本开发的全脑全细胞数据分析平台-
物理化学研究所东京大学日本医疗研究开发机构解析大脑全部细胞的云系统的开发- -日本开发的全脑全细胞数据分析平台-
由理化学研究所(理研)生命机能科学研究中心合成生物学研究小组的真野智之研修生(研究当时)、山田陆裕高级研究员、上田泰己小组组长、东京大学研究生院医学系研究科机能生物学专业系统药理学教研室的史萧逸助教等组成的联合研究小组，是一个使全脑全细胞分析[1]成为可能的平台。本研究成果将在云中保管·分析大脑全体基因的作用和网络结构等庞大的三维数据，作为推进数据驱动型[4]神经科学的基础技术，期待对神经科学的发展做出巨大的贡献。CUBIC-Cloud捕获通过组织透明化技术[5] CUBIC [6]获得的全脑全细胞数据，将多个大脑图像的定位[7]、定量分析、可视化等功能用图形用户界面[ 由于所有计算都在云中执行，因此没有强大计算机环境的研究者也可以使用。 此外，在CUBIC-Cloud上执行的分析结果可以通过云共享和公开给世界各地的研究者，为未来使用大量全脑数据进行数据挖掘[4]提供了可能性。本研究刊登在科学杂志《Cell Reports Methods》( 6月21日:日本时间6月22日)上。 此外，使用CUBIC-Cloud时，在CUBIC-Cloud的主页新标签页中打开即可接受用户注册。
背景近年来，发表了各种可三维观察生物组织的组织透明化技术。 上田泰己团队领导们于2014年发布了第一代CUBIC技术注1 )。 随后，由于组织透明化三维观察技术的发展，在神经科学的研究中获取小鼠全脑的高分辨率图像逐渐普及。 但是，在这样的研究中，有效分析大量图像数据，甚至与其他研究者共享的软件经常成为瓶颈。注1 ) 2014年11月7日新闻发布会“使鼠标整体透明化，以1细胞分辨率进行观察的新技术”
研究方法和成果联合研究组开发了利用公共云的鼠标全脑分析平台“CUBIC-Cloud”。 首先，用户使用光学薄片显微镜[9]拍摄通过CUBIC技术透明化处理的鼠标大脑，然后使用图像分析软件进行细胞检测。 将此数据上载到CUBIC-Cloud后，可以在浏览器中轻松使用多个大脑的定位、定量分析和可视化功能(图1 )。由于所有计算都在云中执行，因此没有强大计算机环境的研究者也可以使用。 另外，在CUBIC-Cloud上执行的分析结果可以通过云共享公开给世界的研究者，因此将来可以进行使用大量全脑数据的数据驱动型研究。
图1立方云概要图基于CUBIC-Cloud的全脑分析流水线概述。 在对小鼠大脑进行透明化处理后，利用光学薄片显微镜进行拍摄，从获取的图像中逐一检测出细胞的点。 用户将检查出的图像上传到CUBIC-Cloud。 在云上，进行大脑和大脑的定位，可以进行各种各样的分析。 还提供了交互式3D全脑查看器。另外，为了证实CUBIC-Cloud的性能，对60只以上的小鼠的全脑进行了分析(图2 )。 结果，成功地捕捉到了不同种类的神经细胞(神经元)在大脑的哪里、痴呆症模型小鼠的淀粉样蛋白β斑块[10]沉积的定量分析、实验性地引起脑内炎症时的脑神经细胞的活动变化等。
图2使用立方体-云进行分析的示例通过抗体染色将小鼠全脑的4种神经细胞(生长抑素神经元、多巴胺神经元、白蛋白阳性( PV )神经元、乙酰胆碱神经元)和神经胶质细胞可视化，在CUBIC-Cloud上合成于一个大脑上 由此，可以进行各种各样的脑图像的比较。 左上为5种细胞的合成图像。
今后的期待CUBIC-Cloud为神经科学社区提供了更方便地执行全脑分析的软件基础。 今后，众多研究者使用本平台，将进一步加速全脑数据的收集和分析，期待为更统一的大脑理解做出贡献。补充说明1 .全脑全细胞分析对由多个区域构成的大脑整体进行1细胞水平的分析。2 .云通过互联网为用户服务的形式。3 .立方云由理研开发的负责透明化全细胞相关技术的社会安装的株式会社CUBICStars，运营的收费的云型全脑全细胞分析服务。 鉴于本研究成果在神经科学领域的重要性和公共性，计划在2021年中向进行账户注册的免费用户免费提供2个大脑的全脑全细胞分析服务。4 .数据驱动型，数据挖掘相对于根据假设验证进行实验的假设驱动型方法，从与研究对象相关的精密的大量系统数据的分析中获得新知识的研究方法被称为数据驱动型或数据挖掘。5 .组织透明化技术使生物组织透明，使内部观察成为可能的方法。 虽然早在100多年前就开始使用了，但从2000年前后开始进一步开发。 在组织透明化中，消除通过组织的光的散射和吸收很重要，在除去组织内的光散射物质(主要是脂质)和光吸收物质(主要是色素)之后，进行使溶剂和组织内的折射率均匀化(折射率调整)的操作。6 .立方结构理学研究小组2014年开发的三维成像、图像分析组合而成的全内脏器官全身全细胞分析的流水线。 CUBIC是Clear，unobstructed brain/body imaging coctails和计算机分析的缩写。7 .对位(定位)本研究利用核染色图像提取构成大脑的所有细胞核的坐标，对全脑三维结构数据化的小鼠脑阿特拉斯( CUBIC-Atlas )，在一个细胞水平上映射从各个大脑样本获得的荧光抗体染色图像。8 .图形用户界面是计算机的用户界面之一，重视对用户的使用便利性，在信息的提示中，可以通过鼠标等在画面上的简单操作来发送指示的方法。9 .光片显微镜一种显微镜，通过将激光在薄片上展开，从透明化样品的侧面照射，从样品上方用照相机拍摄，从而可以拍摄透明化样品内的特定平面(光学切片)。 将样本沿z方向移动，连续拍摄光学切片，可以高速获取三维图像。10 .淀粉样β斑块Aβ(淀粉样蛋白)是由40~43个氨基酸连接而成的肽(蛋白质片段)。 淀粉样前体蛋白质( APP )是由被称为β选择酶和γ选择酶的酶切断而产生的。 已知在阿尔茨海默型痴呆症中，大脑中的Aβ凝聚成纤维状( Aβ斑块)，沉积在大脑中
联合研究小组理化学研究所生命机能科学研究中心合成生物学研究小组球队队长上田泰己(东京大学研究生院医学系研究科功能生物学专业系统药理学教室教授)高级研究员山田陆裕客座研究员洲崎悦生(研究当时是东京大学研究生院医学系研究科功能生物学专业系统药理学教室副教授)(现顺天堂大学医学研究科教授)技术人员ⅰ清水知佳研修生(研究当时)真野智之(研究当时东京大学研究生院医学系研究科系统药理学教室研究生)(现冲绳科学技术研究生院大学特别研究员)比较连接学研究小组队长宫道和成东京大学研究生医学系研究科功能生物学专业功能生物学专业系统药理学教室助教史萧逸(理化研究所生命机能科学研究中心合成生物学研究小组客座研究员)研究生昆一弘研究生农学生命科学研究科应用生命化学专业生物化学研究室教授东原和成研究支援本研究由理化研究所运营费补助金(生命机能科学研究)实施，是科学技术新机构( JST )战略性创造研究推进事业的先驱“基于组织3D染色的细胞全面性分析技术的开发(研究代表者:洲崎悦生)”、JST-ERATO东原化学感觉信号项目(研究总结:。 日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金基础研究( b )“内脏器官整体蛋白质表达修饰活性状态的3D检测法开发(研究代表者:洲崎悦生)”、该新学术领域“基于全面性3维观察技术的细胞多样性验证(研究代表者:洲崎悦生)”、 该基础研究( s )“哺乳类生物节律·振动体的设计(研究代表者:上田泰己)”、该特别研究员奖励费“为了理解支撑个体表现型的细胞系统而开发的注册方法(特别研究员:真野智之)”、 公益财团法人武田科学振兴财团武田报彰医学研究资助“使用全脑成像技术创建新一代中枢药理学(研究代表者:上田泰己)”、Human Frontier science program grant 2018“sleep，the clock， and the brain:a neuro mathematical approach (研究代表:上田泰己)”、日本医疗研究开发机构( AMED )尖端的生物制药等基础技术开发事业“对尖端医疗技术在全内脏器官全身规模上的评价技术基础的开发(研究开发代表:， 在基于该创新技术的脑功能网络全貌解析项目“有助于玛莫塞特脑3维观察分析的基础技术开发(研究开发代表者:上田泰己)”、ANRI基础科学标量系统(研究代表者:真野智之)的支持下进行。原论文信息Tomoyuki Mano，Ken Murata，Kazuhiro Kon，Chika Shimizu，Hiroaki Ono，Shoi Shi，Rikuhiro G. Yamada，Kazunari Miyamichi，Etsuo a 《立方云资源与集成计算框架社区-驱动大厅》 在cell报告方法，10.1016/j.crmeth.2021.100038新选项卡中打开发表者物理化学研究所生命功能科学研究中心合成生物学研究小组球队队长上田泰己研修生(研究当时)真野智之高级研究员山田陆裕东京大学研究生院医学系研究科功能生物学专业系统药理学教室助教史萧逸新闻负责人理化学研究所宣传室新闻负责人呼叫表格在新标签中打开