Aprendizado de máquina e “software” open-source na elaboração de reconstruções tridimensionais para o estudo de neurônios humanos e seus espinhos dendríticos

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dc.contributor.advisorRasia Filho, Alberto Antoniopt_BR
dc.contributor.authorRenner, Josuépt_BR
dc.date.accessioned2023-03-07T18:48:48Z
dc.date.accessioned2023-10-09T13:21:42Z
dc.date.available2023-03-07T18:48:48Z
dc.date.available2023-10-09T13:21:42Z
dc.date.date-insert2023-03-07
dc.date.issued2022
dc.descriptionDissertação (Mestrado)-Programa de Pós-Graduação em Biociências, Fundação Universidade Federal de Ciências da Saúde de Porto Alegre.pt_BR
dc.description.abstractA descrição da estrutura tridimensional (3D) do corpo neuronal, da ramificação dendrítica e dos espinhos dendríticos dos neurônios é essencial para a compreensão de como ocorre o processamento de informações no sistema nervoso ao longo da filogenia, mormente à complexidade que existe no ser humano. Frequentemente, esses componentes da estrutura neuronal apresentam conformações espaciais múltiplas, tornando necessária a elaboração de reconstruções 3D digitais para estudos morfológicos mais detalhados e precisos. A elaboração dessas reconstruções é, no entanto, desafiadora devido às questões relacionadas com a disponibilidade de “software” e com a complexidade do tecido nervoso e dificuldades técnicas inerentes ao processamento histológico de amostras postmortem humanas. A presente dissertação de mestrado teve como objetivo aplicar e desenvolver procedimentos de reconstrução 3D a fim de estudar a forma de neurônios humanos e seus espinhos dendríticos impregnados pela técnica de Golgi sob microscopia óptica de campo claro. A partir de imagens de microscopia de luz capturadas sequencialmente ao longo do eixo espacial ‘z’, o “software” open-source Neuromantic foi utilizado para a elaboração de reconstruções 3D e obtenção de dados morfométricos dos corpos celulares e ramificações dendríticas dos neurônios de von Economo presentes no córtex cingulado anterior e de neurônios com corpo celular fusiforme no pré-cúneo humanos. Para o estudo da presença, distribuição, número e diferentes formas dos espinhos dendríticos desses neurônios, reconstruções 3D foram feitas com algoritmo computacional na plataforma comercial MATLAB® com imagens microscópicas de maior aumento. De modo a evitar o uso adicional de “software” comercial, por causa de altos custos impeditivos e menor acesso a todos os pesquisadores, o presente trabalho também objetivou desenvolver um método adicional, simples, acessível e confiável para a reconstrução 3D de espinhos dendríticos com “software” gratuito. Para isso, utilizou-se o “software” open-source ilastik, que emprega algoritmos de aprendizado supervisionado de máquina para a segmentação de imagens. Esse novo método foi aplicado para a composição de reconstruções 3D dos espinhos dendríticos de neurônios do núcleo cortical do complexo amigdaloide humano, mas pode ser utilizado a priori em diversas outras áreas nervosas igualmente. As ferramentas computacionais que permitiram a elaboração das reconstruções 3D geraram dados morfológicos imprescindíveis sobre a forma do soma, orientação espacial dos ramos dendríticos nos três eixos espaciais e da presença, distribuição, número e forma diversa dos espinhos dendríticos dos neurônios estudados. Neurônios corticais e subcorticais humanos (e de outros animais) podem ser reconstruídos para estudos ontogenéticos, filogenéticos e hodológicos em cada área de interesse e/ou tipo neuronal relevante bem como para a investigação de alterações morfológicas de estruturas neuronais em doenças neurológicas e psiquiátricas. Por utilizar “software” que estão gratuitamente disponíveis para download e uso, o presente trabalho disponibiliza como realizar tais estudos e viabiliza o desenvolvimento de pesquisas nas quais as reconstruções 3D neuronais tornam-se acessíveis, mesmo com poucos recursos disponíveis, com qualidade, relevância internacional e atualidade dos dados obtidos, contribuindo para o conhecimento humano na área da Morfologia e das Neurociências.pt_BR
dc.description.abstract-enThe description of the three-dimensional (3D) structure of the neuronal body, the dendritic branching and the dendritic spines of neurons is essential for understanding how information processing occurs in the nervous system throughout the phylogeny, especially given the complexity that exists in humans. These components of the neuronal structure often have multiple spatial conformations, making it necessary to elaborate 3D digital reconstructions for more detailed and accurate morphological studies. However, the elaboration of these reconstructions is challenging due to issues related to the availability of software and the complexity of nervous tissue and technical difficulties inherent to the histological processing of human postmortem samples. The present master's dissertation aimed to develop and apply 3D reconstruction procedures in order to study the shape of human neurons and their dendritic spines impregnated by the Golgi technique and seen with bright-field optical microscopy. From light microscopy images captured sequentially along the 'z' spatial axis, the open-source software Neuromantic was used to perform 3D reconstructions and to obtain morphometric data of cell bodies and dendritic ramifications of von Economo neurons and spindle-shaped neurons present, respectively, in the anterior cingulate cortex and in the human precuneus. To study the presence, distribution, number, and different shapes of the dendritic spines of these neurons, 3D reconstructions were performed with a computational algorithm on the commercial MATLAB® platform. In order to avoid the additional use of commercial software, due to high costs and less accessibility to all researchers, the present work also aimed to develop an additional, simple, accessible and reliable method for the 3D reconstruction of dendritic spines with free software. For this, the open-source ilastik software, which employs supervised machine learning algorithms for image segmentation, was used. This new method was applied to the composition of 3D reconstructions of the dendritic spines of neurons located in the cortical nucleus of the human amygdaloid complex, but it can be used a priori in several other brain areas as well. The computational tools that allowed the elaboration of the 3D reconstructions generated essential morphological data about the shape of the soma, the spatial orientation of the dendritic branches in the three spatial axes and the presence, distribution, number and diversity of shapes of the dendritic spines of the neurons studied. Human (and other animal) cortical and subcortical neurons can be reconstructed for ontogenetic, phylogenetic and hodological studies in each area of interest and/or relevant neuronal type as well as for the investigation of morphological alterations of neuronal structures in neurological and psychiatric diseases. By using software that is freely available for download and use, the present work provides information about how to carry out such studies and enables the development of research in which 3D reconstructions become accessible. Even with few available resources, high-quality studies with international relevance that contributed to Morphology and Neurosciences were possible.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) – Brasil; Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufcspa.edu.br/handle/123456789/2055
dc.language.isopt_BRpt_BR
dc.relation.requiresTEXTO - Adobe Readerpt_BR
dc.rightsAcesso Aberto Após Período de Embargopt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/*
dc.subjectEspinhos dendríticospt_BR
dc.subjectNeurônios de von Economopt_BR
dc.subjectComplexo amigdaloide humanopt_BR
dc.subjectTécnica de Golgipt_BR
dc.subjectReconstruções tridimensionais (3D) de imagempt_BR
dc.titleAprendizado de máquina e “software” open-source na elaboração de reconstruções tridimensionais para o estudo de neurônios humanos e seus espinhos dendríticospt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR
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