文摘
发展中分离神经元网络电活动具有巨大的意义对于理解神经信息处理和存储的一般性质。此外,网络活动模式的复杂性和多样性使他们适合发展新的计算模型和评估算法。然而,有罕见的数据库,重点在开发过程中不断变化的网络动力学。在这里,我们描述Neuroinformation数据库的设计和实现为发展网络(NDDN),存储库从长期培养的海马电生理数据网络。NDDN包含超过15 tb的25380件组成的多级阵列数据收集从105年文化批次。元数据包括培养和记录信息和刺激/药物应用协议都与每一个数据项。一个名叫MEAKit Matlab工具箱还提供NDDN缓解下载数据项的分析。我们希望NDDN可能导致实验和计算神经科学领域。
1。介绍
自发的神经活动起着至关重要的作用在神经系统的发育和功能1- - - - - -6]。神经活动模式的多样性和复杂性被认为是了解神经网络的关键运作是否在正常状态的7- - - - - -16]。调查对自发活动的特点,stimuli-evoked反应,drug-mediated活动在神经科学研究的基础。此外,计算生物学家和研究人员在计算机科学领域也受到专门的组织结构和功能的神经网络(12,13,17- - - - - -20.]。发现发展中神经网络与其他生物网络和关键方面相似,全球互联的计算机网络(互联网),社交网络,甚至是宇宙[17,19,21- - - - - -26]。收集信息的进化动力学发展神经网络是因此吸引了越来越多的关注11,27]。
作为一种重要的在体外神经网络模型的神经系统,分离以来,神经科学家已经使用超过30年前。但直到最近十年,很难进行长期的观察networkwide培养的神经元的活动和操纵网络的动态而不损害健康的文化11,20.,28]。越来越多极阵列,大型随机神经网络发展在体外显示演示了神经系统的一般属性,使广泛的测量和神经动力学与小干扰网络的操作状态(10,28- - - - - -30.]。然而,尽管许多数据库已建成促进基因/蛋白质组学研究和调查的脑电图和ecg (31日,32),目前仍缺乏一个全面的数据库集中收集和分享长期发展中神经网络的电生理活动。分散在世界各地的实验室,它是困难和不方便的访问和使用这些信息。
在目前的研究中,我们描述如何构建NDDN (Neuroinformation数据库开发网络),一个新的存储库从长期培养的海马网络和获得的电生理数据的特点NDDN和数据存储。
2。材料和方法
2.1。分离海马文化
本研究中使用的所有实验程序批准的华中科技大学动物伦理委员会。如前所述(8,33,34),海马提取迅速从E18-19纯种老鼠的胚胎,然后温柔地切割和分离胰蛋白酶(σ,10分钟37°C)。海马神经元与嵌入式镀到培养皿多极阵列(MEA, Ayanda生物系统公司SA、Lausane、瑞士;多通道系统、Reutlingen德国)的密度2500细胞/毫米2(数据1和2)。改善细胞粘附,poly-L-lysine用于外套播种前的数组。培养基中含有1毫升neurobasal介质(表达载体)B27补充(表达载体),马血清(HyClone) 10%, 0.5毫米Glutamax(表达载体)。一半的媒介是每2天更换一次。盘子被置于37°C, 5%的公司2水夹套保温箱。
2.2。数据收集和组织
原始数据收集使用MEA1060记录系统(多通道系统,Reutlingen,德国)。每道菜包含59记录电极。细胞外信号是连续在25 - 50千赫采样。我们使用一个阈值方法(5×标准差)将原始数据流转换为一个高峰火车。原始数据被保存到∗。由MC_Rack mcd格式(多通道系统、Reutlingen德国)之后可以转化为分层数据格式(HDF)共享。∗。mcd文件还可以使用Neuroshare读入Matlab接口(http://neuroshare.sourceforge.net/)所提供的工具箱。飙升的数据被保存到∗。垫与Matlab格式结构。所有数据文件被上传到服务器的分布式存储,和每个文件系统中的数据文件的路径是保存为对应的数据库中数据项的属性。
元数据(参考表1的详细信息),包含实验细节为每个数据文件组织为实验设置,而不是个别项目。为了方便数据管理、元数据项可以标记为不同类别的用户;因此,从相同的实验或项目相同的实验协议、条件、和参数可以分为一个工作集,如果可用,显微镜的图像对应的培养网络收集和相关元数据项。
2.3。数据库设计与实现
我们使用了MySQL关系数据库管理系统来存储和执行数据查询。11个表创建提供索引和结构化数据组织,以及安全的数据访问。实体关系(ER)数据模型代表这些表之间的关系如图3。核心表命名为”项目。“被一个惟一的ID,数据库中的每一项记录在“项目”表中存储项目的基本信息,如老板、类型、访问权限,并可以进一步与详细的实验描述。如果项目是一个数据文件,然后保存它的路径为“fileloc”项记录。如果项目是一张照片或一段代码,数据直接保存在项目表”数据。“相关元数据信息与表名为“元数据”和标记信息存储在“标签”表与主要项目表的“地图”。
NDDN旨在为每组的用户访问控制。用户不需要将密码保存到数据库中。OpenID框架基础上,身份验证是通过第三方供应商,如谷歌账户和微软账户服务。返回的OpenID标识保存到数据库中,后来用于识别用户。因此,NDDN Gmail用户可以登录到系统,Hotmail帐户,或其他凭证支持OpenID的通信协议。在数据库中,每个数据项都有一个“所有者”属性,和访问权限可以授予三类用户:项目所有者,所有者所属的集团,和所有用户。表2显示了数据项的类unix权限代码字符串。此外,提供数据操作的详细信息,登录操作和数据访问历史记录保存到数据库中。
2.4。基于服务的门户网站
NDDN的核心功能被实现为rest (representational state transfer)与PHP web服务。基于MVC(模型-视图-控制器)的编码模式,数据库中的资源能够达到通过uri,例如,“http://bmp.hust.edu.cn/neuro_db/v2/data/618352/retrieve”。数据访问可能需要一个令牌后返回用户身份验证。数据查询后,将返回结构化信息以XML格式,将返回原始/峰值数据以二进制形式。
2.5。定制的脚本和数据可视化
NDDN已经实现了一个Python接口使用进程间通信(IPC)机制。与预装SciPy包(http://www.scipy.org/),用户可以上传他们的脚本并执行各种计算任务使用NDDN数据。考虑到安全问题,访问文件系统在Python和其他重要系统资源是有限的。NDDN数据的可视化项目也使用SciPy和Matplotlib实现(http://matplotlib.org/)。图形生成的后端,然后显示在前端。多年NDDN,所有脚本包括可视化和算法编写的Python也保存为数据项与特定项目类型。定期访问许可规则是相同的其他项目。
3所示。结果与讨论
3.1。数据库内容
在当前版本中,多级记录数据的25380件(15 tb +)收集从105年文化批次。5233件的实验参与刺激协议(单刺激,成对刺激,多点刺激,one-polar /双相配置,等等)。2599件的实验参与药物测试协议((2 r) -amino-5-phosphonovaleric酸(APV),荷包牡丹碱(BIC) 6-cyano-7-nitroquinoxaline-2, 3-dione (CNQX),河豚毒素(TTX),辛醇(10月),生胃酮(CBX),脑源性神经营养因子(BDNF),等等)。录音被刺激和/或药物应用程序分组与自发的录音之前和之后的应用程序,帮助用户执行定量分析集中在是否网络动力学是如何影响特定的协议。
作为数据库开发的神经网络,自发的多样性录音从不同年龄发展培养神经元网络是一个重要的指标。记录日期的分布(也称为,天在体外(DIV))现有的数据项如图4这也是NDDN的定期统计页面中未标明日期的。丰富的科学实验与培养神经元网络进行1 - 9周(5,7- - - - - -9,11,28,30.]。在NDDN,大多数记录了类似的时间范围,为neuroinformatics提供丰富的数据资源和建模研究。进一步,我们有数据从15 +文化批次居住超过150 div。这些数据集的长期发展网络被认为受益期间进化神经网络的动力学的理解在体外开发(5]。
直方图显示div NDDN项的分布(百分比)。注意,大多数在100年之前录音被div。虽然长期文化很少见,NDDN仍然记录在200年和300年之间div。数字黑匣子显示项目在相应的DIV的实际数字范围。
3.2。网站界面和NDDN Web服务
用户可以访问NDDNhttp://bmp.hust.edu.cn/neuro_db/。可以浏览页的介绍材料和相关出版物没有登录。访问页的数据查询和下载需要教育用户身份验证(目前,网站托管在一个大学服务器(Intel Xeon E3 cpu和64 gb RAM)在中国教育和科研网(CERNET),这是我们大学所要求的,但可能会阻止一些国际访问由于政府政策;我们正在努力申请许可在公共云部署数据库由私人公司)。一个示例页面的数据查询和使用Matlab工具箱提供了内置的可视化图所示5。
示例查询结果如表所示。内置的可视化函数如下所示的输出。Array-wide飙升检出率与红点线图所示。旁边的通道活动热地图显示线路图。
NDDN接受各种搜索条件:文化日期、记录日期,培养皿,DIV,刺激协议,药物名称和操作员进行了实验。中提到的方法,标签可以标记在单个数据项。用户可以把相同的标记返回的搜索结果中的所有条目,保存搜索结果在将来重用。例如,如果一个执行一个特定的搜索基于去年返回搜索结果或与多个条件,那么她/他可能下次直接加载结果的标签。除此之外,用户可以指定自己的标签是否会接触到所有的用户,这有助于保持数据库的组织和鼓励建设性的共享。
NDDN的核心功能被公开为web服务api(应用程序编程接口)。表3显示核心api的列表。每个请求包含所有必要的信息来完成请求。客户端不需要持有任何会话状态。用户身份验证信息将被发送到客户端成功登录后,将被用作一个令牌下电话。无状态的RESTful web服务api可以帮助研究人员开发工具,可以直接从/到NDDN下载/上传数据。
3.3。Matlab工具箱
NDDN还提供了一个工具箱编写的Matlab代码来减少使用NDDN数据的困难。MEAKit(多级阵列工具包)工具箱NDDN网站是免费的。用户还可以对未来发展做出贡献的工具箱通过提交bug和问题甚至提交他们的代码的版本分支在GitHub门户(https://github.com/pujb/meakit)。表中列出的关键功能4。短暂,M-functions MEAKit工具箱是由他们的目的分为不同的类别。可以加载到Matlab工作区数据文件I / O函数,例如,util_load_mcds ()。我们已经实现了多个“计算”目录中的内置函数来执行一些常用古典神经动力学分析(30.),以及一些新采用的算法,如神经雪崩分析和分形量化5]。用户可以使用自己的方式来可视化结果也可以使用“阴谋”目录中的函数来生成图形,满足科学期刊的共同发布标准。图6显示射击模式的改变的神经网络在发展一个例子。为特定目的编写的脚本是位于“脚本”目录。有关详细信息,请参见工具箱引用主题在“帮助”目录中。
3.4。与其他数据库
一曲目丰富的在线生物信息学数据库相比,有更少的神经网络的数据库旨在提供电生理信息,更不用说特别关注多极阵列数据的数据库在体外发展网络。卡门项目(http://www.carmen.org.uk/)提供了一个强有力的国际合作共享框架代码,数据和模型的多级神经系统(27]。艾伦大脑图集(ABA) (http://www.brain-map.org/),可见Brain-wide网络(VBN)项目(http://vbn.hust.edu.cn/)以珍贵的图像资源和强大的工具(35]。在这些数据库中,卡门项目旨在提供多种类型的数据(包括电生理数据和图像)各级从各种来源的神经系统(从细胞水平到整个大脑级别)。卡门项目强大的虚拟实验室的框架使整个大脑leveldata还在线运行的神经生理学数据和在线代码开发和分析。艾伦大脑图集和VBN项目旨在提供细胞类型数据库、工具箱和大脑连接的详细图像。目前,很少有报告数据库的关注分离培养的神经网络。显然,分离神经元网络缺乏完整的整个大脑的许多功能,但是神经细胞的本质和网络形成的神经元和其他神经细胞保存在这些分离的文化。因此,观察神经元以及它们是如何形成和发展成为一个网络可以帮助我们更好地了解大脑的机制。另外,许多详细的神经回路和解剖分析不可行的动物和人类生活。在这里,我们收集的多级神经网络数据的数组(量)。刺激和药条件下自发活动和活动记录。 Although there are obvious limitations in the NDDN for its limited data sources and data types, we are trying to release the unique data of dissociated cultured neuronal networks as a specialized database tailored for developing neuronal networks on MEAs. The NDDN provides a large set of unique data which is exclusive at the moment as far as we know and the developmental information for cultured neuronal networks which is unique currently.
4所示。结论
电生理活动模式在发展中神经网络是非常重要的基础研究的神经动力学和神经编码。在这里,我们描述了一种新的数据库开发网络,目前拥有超过15字节数据。NDDN可以利用计算机神经学家和建模者提取特征和推出新车型,新算法发展有了进一步的了解和评估。实验神经科学家也可能受益NDDN可以看成是一个数据库,其中包含初步试验各种实验性的协议。我们希望NDDN将更好地为相关领域的研究人员为基础深入了解神经动力学在网络层。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢成员Britton机会生物医学光子学中心的意见和建议,Wenjuan Chen耿朱、刘,对数据采集和李陵,Zipeng秋杰Wang银亮,芙蓉你们和Congwei Yu援助数据迁移和上传,清明节罗教授,副教授回族锣,Shaoqun曾庆红,和魏周的支持和有价值的讨论。这项工作得到了国家自然科学基金(61501524和61501524),天津市自然科学基金(16 jcqnjc01300),关键技术研发项目天津(15 zczdsy00600),凸轮医学科学创新基金(2016 - i2m 3 - 023和2016 - i2m - 2 - 006),基础研究基金为中央大学和曾经青年基金(没有。3332017169),中国国家重点研发项目(2017 yfb1300301和2017 yfb1302305号)。