Distribució dels axons vestibulars a la substància blanca medul·lar: Implementació de tècniques de programació i processament d'imatge per a l'anàlisi topogràfica de les àrees d'innervació d'axons descendents motors a l'engruiximent cervical medul·lar de rosegadors

Abstract

Títol: Distribució dels axons vestibulars a la substància blanca medul·lar: Implementació de tècniques de programació i processament d'imatge per a l'anàlisi topogràfica de les àrees d'innervació d'axons descendents motors a l'engruiximent cervical medul·lar de rosegadors. Autora: Gemma Quijada Carreras. Tutor: Dr. Guillermo García Alias (INc-UAB) i Dra. Mireia Olivella García (UVic). Data: Juny de 2023. Paraules clau: Sistema nerviós central (SNC), medul·la espinal, segments medul·lars (cervicals, toràcics, lumbars, sacres), axó, neurona, mielina, diàmetre axonal, script, tracte vestibuloespinal, tracte vestibuloespinal lateral i medial (TVSL, TVSM), Python, Fiji/ImageJ, tinçió immunohistiquimica, BDA, NeuN, NF, MBP, threeshold, quantificació, heatmap, superposició, model 3D. En col·laboració amb l'Institut de Neurociències de la UAB, en aquest treball d'investigació s'ha realitzat una anàlisi topogràfica, estudiant la distribució dels axons a través de la medul·la espinal del tracte vestibuloespinal. Aquest està enfocat des d'un punt de vista bioinformàtic, ja que gran part del contingut es troba relacionat amb la creació de programes informàtics per a l'automatització del processament d'imatges, i a la vegada consta també d'una interpretació biològica i anatòmica. L'objectiu ha sigut verificar si hi ha una distribució específica dels axons vestibulars a la substància blanca medul·lar. Per a aconseguir-ho, es van marcar les fibres vestibuloespinals mitjançant el traçador anterògrad BDA i es van realitzar tincions immunohistoquímiques per marcar el soma neuronal, el neurofilament i la mielina. Es van capturar imatges dels talls transversals medul·lars amb un microscopi de fluorescència. A continuació, es va buscar automatitzar i optimitzar el pre-processament d'imatges, creant un dataset adequat. Finalment, es van desenvolupar programes informàtics per quantificar els axons a la substància blanca medul·lar segons la seva esfericitat i diàmetre, analitzar la seva distribució mitjançant heatmaps i crear un model 3D del tracte. També es van superposar les imatges corresponents a les diferents tincions. Els resultats de l'estudi indiquen una alta quantitat d'axons vestibuloespinals a la substància blanca medul·lar, principalment a la regió lateral ventral, transmetent senyal de manera ipsilateral, amb una densitat més elevada a les regions més cervicals. Aquests axons semblen tenir un diàmetre gran i estar mielinitzats. Així, aquesta investigació suposa una petita contribució a la creació d'un atles de les vies descendents i permet també, el desenvolupament de diferents programes per automatitzar i agilitzar els procediments de processament d'imatges i la seva posterior interpretació.

Summary Title: Distribution of vestibular axons in the medullary white matter: Implementation of programming and image processing techniques for topographic analysis of areas of motor descending axon innervation in the rodent cervical medullary thickening. Author: Gemma Quijada Carreras. Supervisor: Dr. Guillermo García Alias (INc-UAB) and Dra. Mireia Olivella García (UVic). Date: June 2023. Keywords: Central nervous system (CNS), spinal cord, spinal cord segments (cervical, thoracic, lumbar, sacral), axon, neuron, myelin, axonal diameter, script, vestibulospinal tract, lateral and medial vestibulospinal tract (TVSL, TVSM), Python, Fiji/ ImageJ, immunohistochemical staining, BDA, NeuN, NF, MBP, threeshold, quantification, heatmap, overlay, 3D model. In collaboration with the UAB Neuroscience Institute, this thesis consists of a topographical analysis to study the distribution of axons of the vestibulospinal tract through the spinal cord. The project contains bioinformatics, since much of the content is related to the creation of informatic programs for the automatization of image processing and, at the same time, it also consists of a biological and anatomical interpretation. The aim was to verify if there is a specific distribution of vestibular axons in the medullary white matter. To achieve this, vestibulospinal fibers were labeled using the BDA anterograde tracer and immunohistochemical staining was performed to label the neuronal soma, neurofilament and myelin. Images of medullary cross-sections were captured using a fluorescence microscope. Next, it sought to automate and optimize image pre-processing, creating a suitable dataset. Finally, computer programs were developed to quantify axons in the medullary white matter according to their sphericity and diameter, analyze their distribution using heatmaps and create a 3D model of the tract. The images corresponding to the different stainings were also superimposed. The results of the study indicate a high amount of vestibulospinal axons in the medullary white matter, mainly in the lateral ventral region, transmitting signal ipsilaterally, with a higher density in the more cervical regions. These axons appear to have a large diameter and to be myelinated. Thus, this research represents a small contribution to the creation of an atlas of the descending pathways and has also allowed the development of different programs to automate and streamline image processing procedures and their subsequent interpretation.