Automatic and unbiased segmentation and quantification of myofibers in skeletal muscle
- 1. Fundación para la Lucha contra las Enfermedades Neurológicas de la Infancia
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 3. Florida College
- 4. University of Florida
- 5. University of Buenos Aires
Description
Abstract Skeletal muscle has the remarkable ability to regenerate. However, with age and disease muscle strength and function decline. Myofiber size, which is affected by injury and disease, is a critical measurement to assess muscle health. Here, we test and apply Cellpose, a recently developed deep learning algorithm, to automatically segment myofibers within murine skeletal muscle. We first show that tissue fixation is necessary to preserve cellular structures such as primary cilia, small cellular antennae, and adipocyte lipid droplets. However, fixation generates heterogeneous myofiber labeling, which impedes intensity-based segmentation. We demonstrate that Cellpose efficiently delineates thousands of individual myofibers outlined by a variety of markers, even within fixed tissue with highly uneven myofiber staining. We created a novel ImageJ plugin (LabelsToRois) that allows processing of multiple Cellpose segmentation images in batch. The plugin also contains a semi-automatic erosion function to correct for the area bias introduced by the different stainings, thereby identifying myofibers as accurately as human experts. We successfully applied our segmentation pipeline to uncover myofiber regeneration differences between two different muscle injury models, cardiotoxin and glycerol. Thus, Cellpose combined with LabelsToRois allows for fast, unbiased, and reproducible myofiber quantification for a variety of staining and fixation conditions.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تتمتع العضلات الهيكلية المجردة بقدرة ملحوظة على التجدد. ومع ذلك، مع التقدم في العمر والمرض، تنخفض قوة العضلات ووظائفها. حجم الألياف العضلية، الذي يتأثر بالإصابة والمرض، هو مقياس حاسم لتقييم صحة العضلات. هنا، نقوم باختبار وتطبيق Cellpose، وهي خوارزمية تعلم عميق تم تطويرها مؤخرًا، لتقسيم الألياف العضلية تلقائيًا داخل العضلات الهيكلية للفأر. نظهر أولاً أن تثبيت الأنسجة ضروري للحفاظ على الهياكل الخلوية مثل الأهداب الأولية، والهوائيات الخلوية الصغيرة، وقطرات الدهون الدهنية. ومع ذلك، فإن التثبيت يولد ملصقات ألياف عضوية غير متجانسة، مما يعيق التجزئة القائمة على الكثافة. نثبت أن Cellpose تحدد بكفاءة الآلاف من الألياف العضلية الفردية المحددة من خلال مجموعة متنوعة من العلامات، حتى داخل الأنسجة الثابتة مع تلطيخ الألياف العضلية غير المتكافئ للغاية. أنشأنا مكونًا إضافيًا جديدًا لـ ImageJ (LabelsToRois) يسمح بمعالجة صور تجزئة Cellpose المتعددة دفعة واحدة. يحتوي المكون الإضافي أيضًا على وظيفة تآكل شبه أوتوماتيكية لتصحيح تحيز المنطقة الذي أدخلته البقع المختلفة، وبالتالي تحديد الألياف العضلية بدقة مثل الخبراء البشريين. لقد طبقنا بنجاح خط أنابيب التجزئة الخاص بنا للكشف عن اختلافات تجديد الألياف العضلية بين نموذجين مختلفين لإصابة العضلات، وهما السمية القلبية والجلسرين. وبالتالي، يسمح Cellpose جنبًا إلى جنب مع LabelsToRois بتقدير كمي سريع وغير متحيز وقابل للتكرار لمجموعة متنوعة من حالات التلطيخ والتثبيت.Translated Description (French)
Résumé Le muscle squelettique a la capacité remarquable de se régénérer. Cependant, avec l'âge et la maladie, la force musculaire et la fonction diminuent. La taille des myofibres, qui est affectée par les blessures et les maladies, est une mesure essentielle pour évaluer la santé musculaire. Ici, nous testons et appliquons Cellpose, un algorithme d'apprentissage profond récemment développé, pour segmenter automatiquement les myofibres dans le muscle squelettique murin. Nous montrons d'abord que la fixation tissulaire est nécessaire pour préserver les structures cellulaires telles que les cils primaires, les petites antennes cellulaires et les gouttelettes lipidiques adipocytaires. Cependant, la fixation génère un marquage hétérogène des myofibres, ce qui entrave la segmentation basée sur l'intensité. Nous démontrons que Cellpose délimite efficacement des milliers de myofibres individuelles délimitées par une variété de marqueurs, même dans des tissus fixes présentant une coloration des myofibres très inégale. Nous avons créé un nouveau plugin ImageJ (LabelsToRois) qui permet le traitement de plusieurs images de segmentation Cellpose par lots. L'extension contient également une fonction d'érosion semi-automatique pour corriger le biais de zone introduit par les différentes taches, identifiant ainsi les myofibres aussi précisément que les experts humains. Nous avons appliqué avec succès notre pipeline de segmentation pour découvrir les différences de régénération des myofibres entre deux modèles différents de lésions musculaires, la cardiotoxine et le glycérol. Ainsi, Cellpose combiné avec LabelsToRois permet une quantification rapide, impartiale et reproductible des myofibres pour une variété de conditions de coloration et de fixation.Translated Description (Spanish)
Resumen El músculo esquelético tiene la notable capacidad de regenerarse. Sin embargo, con la edad y la enfermedad, la fuerza muscular y la función disminuyen. El tamaño de las miofibras, que se ve afectado por lesiones y enfermedades, es una medida fundamental para evaluar la salud muscular. Aquí, probamos y aplicamos Cellpose, un algoritmo de aprendizaje profundo recientemente desarrollado, para segmentar automáticamente las miofibras dentro del músculo esquelético murino. Primero mostramos que la fijación del tejido es necesaria para preservar las estructuras celulares como los cilios primarios, las antenas celulares pequeñas y las gotitas de lípidos de los adipocitos. Sin embargo, la fijación genera un etiquetado heterogéneo de miofibras, lo que impide la segmentación basada en la intensidad. Demostramos que Cellpose delinea de manera eficiente miles de miofibras individuales delineadas por una variedad de marcadores, incluso dentro del tejido fijo con tinción de miofibras altamente desigual. Creamos un nuevo plugin ImageJ (LabelsToRois) que permite procesar múltiples imágenes de segmentación de Cellpose por lotes. El plugin también contiene una función de erosión semiautomática para corregir el sesgo de área introducido por las diferentes tinciones, identificando así las miofibras con la misma precisión que los expertos humanos. Aplicamos con éxito nuestra línea de segmentación para descubrir las diferencias de regeneración de miofibras entre dos modelos diferentes de lesión muscular, cardiotoxina y glicerol. Por lo tanto, Cellpose combinado con LabelsToRois permite una cuantificación de miofibras rápida, imparcial y reproducible para una variedad de condiciones de tinción y fijación.Files
s41598-021-91191-6.pdf.pdf
Files
(14.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:169251c015c5bae6f0386d1fe684bb92
|
14.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التقسيم التلقائي وغير المتحيز وتحديد كمية الألياف العضلية في العضلات الهيكلية
- Translated title (French)
- Segmentation et quantification automatiques et impartiales des myofibres dans le muscle squelettique
- Translated title (Spanish)
- Segmentación y cuantificación automática e imparcial de miofibras en músculo esquelético
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3164338402
- DOI
- 10.1038/s41598-021-91191-6
References
- https://openalex.org/W1142031920
- https://openalex.org/W130859695
- https://openalex.org/W1924084714
- https://openalex.org/W1964124818
- https://openalex.org/W1968904141
- https://openalex.org/W1975139695
- https://openalex.org/W1975574418
- https://openalex.org/W1979533069
- https://openalex.org/W1985130783
- https://openalex.org/W1987869189
- https://openalex.org/W1988122753
- https://openalex.org/W1992873212
- https://openalex.org/W1993947467
- https://openalex.org/W1998646863
- https://openalex.org/W1999902156
- https://openalex.org/W2000059256
- https://openalex.org/W2010111273
- https://openalex.org/W2010253303
- https://openalex.org/W2020444654
- https://openalex.org/W2025957803
- https://openalex.org/W2028911404
- https://openalex.org/W2029667930
- https://openalex.org/W2030222351
- https://openalex.org/W2035533040
- https://openalex.org/W2043123806
- https://openalex.org/W2056272569
- https://openalex.org/W2062421379
- https://openalex.org/W2066180106
- https://openalex.org/W2070936696
- https://openalex.org/W2076069194
- https://openalex.org/W2090356147
- https://openalex.org/W2097304128
- https://openalex.org/W2110309782
- https://openalex.org/W2110957605
- https://openalex.org/W2123810234
- https://openalex.org/W2127460024
- https://openalex.org/W2130025116
- https://openalex.org/W2135523822
- https://openalex.org/W2140053393
- https://openalex.org/W2145163771
- https://openalex.org/W2151422314
- https://openalex.org/W2157112460
- https://openalex.org/W2163239863
- https://openalex.org/W2267893954
- https://openalex.org/W2277280343
- https://openalex.org/W2403881977
- https://openalex.org/W2440526850
- https://openalex.org/W2467628122
- https://openalex.org/W2599919949
- https://openalex.org/W2724098443
- https://openalex.org/W2735513135
- https://openalex.org/W2755746625
- https://openalex.org/W2763424450
- https://openalex.org/W2885080211
- https://openalex.org/W2885404336
- https://openalex.org/W2910310212
- https://openalex.org/W2912606098
- https://openalex.org/W2944869407
- https://openalex.org/W2947371893
- https://openalex.org/W2948703564
- https://openalex.org/W2951890867
- https://openalex.org/W2989952557
- https://openalex.org/W2990487283
- https://openalex.org/W2992810674
- https://openalex.org/W2999482784
- https://openalex.org/W3009426980
- https://openalex.org/W3026693286
- https://openalex.org/W3035402339
- https://openalex.org/W3111521801