AIツールが脳細胞の3D構造を完全に可視化(AI Tool Reveals Complete 3D Architecture of Brain Cells)

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2025-10-20 コロンビア大学

コロンビア大学ズッカーマン脳研究所の研究チームは、AIを活用して神経細胞の樹状突起スパイン(シナプス構造)を自動的に三次元解析できる新ツール「RESPAN(Restoration Enhanced Spine and Neuron Analysis)」を開発した。スパインはアルツハイマー病など神経変性疾患の初期変化部位として知られるが、従来は手動で数週間かけて数百枚の画像を解析していた。RESPANは数分でスパインの体積・長さ・表面積を自動測定し、細胞全体の位置情報と統合して3Dマッピングできる。さらに画像修復機能を備え、ライブイメージングデータにも対応する。手動解析よりも高精度で誤検出が少なく、再現性の高いデータ取得を可能にした。プログラミング知識は不要で、誰でも利用できるオープンソースとして公開されている。研究成果は『Cell Reports Methods』誌に掲載され、神経変性疾患の分子メカニズム解明と再現性の高い神経科学研究に新たな道を拓くものと期待されている。

AIツールが脳細胞の3D構造を完全に可視化(AI Tool Reveals Complete 3D Architecture of Brain Cells)
RESPAN maps thousands of excitatory synapses (spines) along the dendritic arbor (yellow) of a CA1 pyramidal neuron. (Credit: Kevin Gonzalez, Sergio Bernal-Garcia / Polleux lab / Zuckerman Institute and Luke Hammond / Ohio State University)

<関連情報>

樹状突起棘の正確かつ自動化された復元、セグメンテーション、定量化のためのディープラーニングパイプライン A deep learning pipeline for accurate and automated restoration, segmentation, and quantification of dendritic spines

Sergio Bernal-Garcia, Alexa P. Schlotter, Daniela B. Pereira, Aleksandra J. Recupero, Franck Polleux, Luke A. Hammond
Cell Reports Methods  Available online: 18 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.crmeth.2025.101179

Highlights

  • RESPAN is user friendly and allows accurate and unbiased dendritic spine analysis
  • RESPAN integrates deep learning restoration, segmentation, and extensive quantification
  • RESPAN analyzes data with heterogeneous image quality without parameter tuning

Motivation

Accurate and unbiased reconstructions of neuronal morphology and quantification of dendritic spines are widely used in neuroscience but remain a significant challenge for efficient large-scale analysis. Current methods rely heavily on manual annotation and parameter optimization between images, introducing bias and creating bottlenecks that limit large-scale studies. Additionally, existing automated tools often require complex workflows across multiple software platforms and lack integrated validation capabilities. We developed RESPAN to address these limitations by providing a comprehensive, automated pipeline that combines state-of-the-art deep learning approaches for image restoration and segmentation, model training, analysis, and validation within a single user-friendly graphical interface. This enables rapid, unbiased analysis of dendritic spine morphology across diverse imaging modalities while maintaining high accuracy and reproducibility.

生物工学一般
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