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理解神经元形态在衰老和急性应激过程中如何变化，对于阐明神经退行性变的机制至关重要。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中高度分支的 PVD 神经元为研究树突重塑以及与退行性变相关的表型（如树突串珠化）提供了强有力的模型。然而，这种树状结构的复杂性给自动分割和定量分析带来了重大挑战。在本研究中，我们改造了一种卷积神经网络（CNN）引导的区域生长框架，用于树突的自动追踪，并结合两种基于拓扑结构的算法，按照分支程度对树突节段进行分类。相较于人工追踪，该分割算法表现出较高的准确性，其中 Dice 系数中位数为 0.82，同时将分析时间缩短了约 10 倍。自动树突分类在各级分支阶次上与人工注释表现出较强一致性，但由于形态失真随年龄逐渐加重，基于位置的映射性能随年龄增长而下降。借助这一平台，我们研究了衰老和冷休克过程中观察到的树突串珠化模式在机制上的差异。与既往研究一致，衰老与珠体间距减小相关，而冷休克则随着应激严重程度增加而导致珠体分散程度升高。结构分析表明，这些趋势并非由树突修剪或树状结构复杂性降低所驱动。相反，传统的、在解剖学上缺乏灵活性的范式错误地暗示低阶树突具有高度脆弱性，而我们基于分支信息的框架揭示，年龄依赖性的串珠化从根本上是由节段经历连续分支事件的历史所决定的。相对而言，急性冷休克触发了系统性的串珠化，并以与严重程度相关的方式扩展至所有树突阶次。综上，这些发现表明，慢性衰老与急性应激所激活的是不同的退行性变通路（区室特异性的谱系脆弱性与全局性结构崩塌），而非粗略的形态丢失；同时也凸显出采用能够对变化中的形态进行可靠分析的研究范式的必要性。
超越刻板化的神经元结构揭示了老化表型中串珠样变与形态重排之间的联系。| bioRxiv
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超越刻板化的神经元结构揭示了老化表型中串珠样变与形态重排之间的联系。
Kin Gomez， Kyle Nguyen， John Lagergren， Kevin Flores， Adriana San Miguel
doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.15.732273
Kin Gomez 北卡罗来纳州立大学
Kyle Nguyen 北卡罗来纳州立大学
John Lagergren 北卡罗来纳州立大学
Kevin Flores 北卡罗来纳州立大学
Adriana San Miguel 北卡罗来纳州立大学
通讯请联系： asanmig{at}ncsu.edu
摘要
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摘要
理解神经元形态在衰老和急性应激过程中如何变化，对于阐明神经退行性变的机制至关重要。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）高度分枝的 PVD 神经元为研究树突重塑和与退行性变相关的表型（如树突串珠样变）提供了一个强有力的模型。然而，这种树状分枝结构的复杂性给自动分割和定量分析带来了重大挑战。在本研究中，我们调整了一种卷积神经网络（CNN）引导的区域生长框架，用于自动树突追踪，并结合两种基于拓扑结构的算法，按照分枝程度对树突节段进行分类。相较于人工追踪，该分割算法实现了较高准确性，其中 Dice 系数中位数为 0.82，同时将分析时间缩短了约 10 倍。自动树突分类在各分枝级别上与人工标注表现出较强一致性，尽管由于进行性的形态扭曲，基于位置的映射性能会随年龄增长而下降。基于这一平台，我们研究了衰老与冷休克过程中观察到的树突串珠样变模式在机制上的差异。与既往研究一致，衰老与珠间距减小相关，而冷休克则随着应激严重程度增加而导致珠体分散度增大。结构分析表明，这些趋势并非由树突修剪或树状分枝复杂性降低所驱动。相反，传统的、在解剖学上缺乏灵活性的范式错误地暗示低分枝度树突具有高度脆弱性，而我们的分枝信息框架揭示，年龄依赖性的串珠样变从根本上受节段连续分枝事件历史的支配。相对地，急性冷休克会触发一种系统性的串珠样变，并以依赖于严重程度的方式扩展至所有树突级别。总体而言，这些发现表明，慢性衰老与急性应激所激活的是不同的退行性通路（区室特异性的谱系脆弱性 versus 整体架构崩塌），而非粗略的形态丧失；同时也突显了建立能够对变化中的形态进行可靠分析之研究范式的必要性。
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发表于 2026 年 6 月 18 日。
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超越刻板化的神经元结构揭示了老化表型中串珠样变与形态重排之间的联系。
Kin Gomez， Kyle Nguyen， John Lagergren， Kevin Flores， Adriana San Miguel
bioRxiv 2026.06.15.732273； doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.15.732273
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超越刻板化的神经元结构揭示了老化表型中串珠样变与形态重排之间的联系。
Kin Gomez， Kyle Nguyen， John Lagergren， Kevin Flores， Adriana San Miguel
bioRxiv 2026.06.15.732273； doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.15.732273
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.15.732273v1?rss=1
🏷️ 神经元形态重塑 树突串珠化 衰老表型 卷积神经网络分割 秀丽隐杆线虫