Details

Данная работа посвящена оценке метрических признаков, используемых для количественного анализа трехмерной морфологии дендритных шипиков в норме и на клеточной модели болезни Альцгеймера. Цель работы состояла в определении наиболее чувствительных метрик формы и оценке их применимости в рамках стандартизированного протокола анализа. Методология включала получение конфокальных Z-серий изображений первичных гиппокампальных нейронов, сегментацию дендритов и шипиков в SpineTool, расчет 11 скалярных метрик, гистограммы распределения длин хорд, дескрипторов на основе сферических гармоник и моментов Цернике, а также статистическое сравнение, машинную классификацию и кластеризацию методом k-средних. В работе формализован протокол анализа SpineTool, описан набор данных из 550 полигональных моделей шипиков и показано, что условия низкой амилоидной токсичности сопровождаются изменением распределения морфологических классов и ряда скалярных параметров. Новые трехмерные дескрипторы обеспечили разделение контрольной группы и группы Aβ в большем числе кластеров, чем классические признаки и CLDH. Полученные результаты могут применяться для воспроизводимого анализа морфологии дендритных шипиков и оценки структурных изменений синапсов в нейробиологических исследованиях.

The given work is devoted to evaluation of the metrics used for the quantitative analysis of the three-dimensional morphology of dendritic spines in normal conditions and in a cellular model of Alzheimer’s disease. The aim of the study was to identify the most sensitive shape metrics and assess their applicability within a standardized analysis protocol. The methodology included acquiring confocal Z-stack images of primary hippocampal neurons, segmenting dendrites and spines in SpineTool, calculation of 11 scalar metrics, histograms of chord length distributions, descriptors based on spherical harmonics and Zernike moments, as well as statistical comparison, machine classification, and clustering using the k-means method. The work formalizes the SpineTool analysis protocol, describes a dataset of 550 polygonal models of spines, and demonstrates that conditions of low amyloid toxicity are accompanied by changes in the distribution of morphological classes and a number of scalar parameters. New three-dimensional descriptors enabled the separation of the control group and the Aβ group into a greater number of clusters than classical features and CLDH. The results obtained can be applied for reproducible analysis of dendritic spine morphology and assessment of structural changes in synapses in neurobiological studies.