Clear Volume Imaging with Machine Learning: a novel tool to identify brain-wide neuronal ensembles of opioid relapse in rat models

机器学习清晰体积成像:一种识别大鼠模型中阿片类药物复发的全脑神经元群的新工具

基本信息

  • 批准号:
    10241671
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 22.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-05-15 至 2023-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project is in response to PA-18-437 “Cutting-Edge Basic Research Awards (CEBRA)”. Over the two past decades, there has been a large increase in the abuse of prescription and illegal opioids; this increase coincides with increases in opioid-related deaths. A critical challenge is the occurrence of relapse in treated patients, especially given that relapse episodes carry a risk of overdose. There is a need to improve our understanding of the brain mechanisms of opioid relapse, which hopefully will result in the identification of targeted circuitry-based treatments. We propose to develop a high-throughput computation system termed Clear Volume Analysis with Machine Learning (CVA-ML). We will combine CVA-ML with a rat-optimized version of the whole brain immunostaining and clearing method iDISCO+ and a new rat model of opioid relapse after voluntary abstinence to identify brain- wide neuronal ensembles of opioid relapse. We recently adapted the iDISCO+ method to intact rat brains and developed experimental methods for Fos immunostaining, brain clearing, and light sheet fluorescence microscopy imaging. However, incorporation of the iDISCO+ method to large scale rat studies is currently limited by (1) lack of ABA-CCF-comparable high-resolution 3D rat brain atlas that allows for high-resolution registration of the activity signal in the 3D space, and (2) lack of an automated data analysis pipeline. In Aim 1, we propose to develop a data analysis pipeline that will take light sheet fluorescence microscopy- generated rat brain images and automatically register them into a custom-made 3D rat brain atlas encompassing a converted Paxinos and Watson rat’s brain atlas. As part of Aim 1, we also propose to develop machine-learning methods to identify and analyze the whole brain Fos signals in 3D space. In Aim 2, we propose to use the methods we developed in Aim 1 to identify brain-wide patterns of neuronal activity (‘neural ensembles’) that encode opioid relapse after voluntary abstinence induced by imposing adverse consequences (electric barrier) that results in long-term cessation of opioid (oxycodone) self-administration. Our proposal addresses the goal of PA-18-437: “to develop, and/or adapt, revolutionary techniques or methods for addiction research.” The anticipated outcomes of our proposal are an open-source software package to automatically analyze iDISCO+ data of rat brains, and a rat whole brain activity map for opioid relapse, assessed using a new rat model. The publicly available software will be easy to modify and can be used by investigators to identify brain-wide neuronal ensembles underlying drug relapse and other motivated behaviors in rats.
该项目是为了响应 PA-18-437“尖端基础研究奖(CEBRA)”。过去两届 几十年来,处方药和非法阿片类药物的滥用大幅增加;这一增长恰逢 随着阿片类药物相关死亡人数的增加。一个关键的挑战是接受治疗的患者会出现复发, 特别是考虑到复发发作有服用过量的风险。我们需要提高认识 阿片类药物复发的大脑机制,有望导致基于靶向电路的识别 治疗。 我们建议开发一种高吞吐量计算系统,称为 Clear Volume Analysis with Machine 学习(CVA-ML)。我们将 CVA-ML 与大鼠优化版本的全脑免疫染色相结合 和清除方法 iDISCO+ 和自愿戒断后阿片类药物复发的新型大鼠模型,以识别脑- 阿片类药物复发的广泛神经元群。我们最近将 iDISCO+ 方法应用于完整的大鼠大脑并 开发了 Fos 免疫染色、脑透明和光片荧光的实验方法 显微镜成像。然而,将 iDISCO+ 方法纳入大规模大鼠研究目前还很有限 (1) 缺乏可与 ABA-CCF 相媲美的高分辨率 3D 大鼠脑图谱来进行高分辨率配准 3D 空间中的活动信号,以及 (2) 缺乏自动化数据分析管道。 在目标 1 中,我们建议开发一种采用光片荧光显微镜的数据分析流程 - 生成大鼠大脑图像并自动将其注册到定制的 3D 大鼠大脑图谱中,其中包括 转换后的 Paxinos 和 Watson 大鼠大脑图谱。作为目标 1 的一部分,我们还建议开发机器学习 在 3D 空间中识别和分析全脑 Fos 信号的方法。在目标 2 中,我们建议使用 我们在目标 1 中开发的方法来识别全脑神经元活动模式(“神经集合”), 编码因施加不良后果(电屏障)而自愿戒断后阿片类药物复发 这导致长期停止阿片类药物(羟考酮)的自我给药。 我们的提案解决了 PA-18-437 的目标:“开发和/或采用革命性技术或方法 用于成瘾研究。”我们提案的预期成果是一个开源软件包 自动分析大鼠大脑的 iDISCO+ 数据,并评估阿片类药物复发的大鼠全脑活动图 使用新的大鼠模型。公开可用的软件将易于修改并且可供调查人员使用 识别大鼠药物复发和其他动机行为背后的全脑神经元群。

项目成果

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