依型態分布分類海馬齒狀迴中軸突

齒狀迴(dentate gyrus) 為海馬迴(hippocampus) 的一個神經訊息傳遞樞紐，齒狀迴會接受來自大腦皮質的神經訊號，也會將神經訊號輸出到海馬迴的其他區域。

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齒狀迴可以分成三大層，分別為分子層(molecularlayer)、顆粒細胞層(granulecellslayer)以及多態層(polymorphiclayer,或稱hilus)。

顆粒細胞層內包含數種不同型態的中間神經元(interneurons)，其中有兩類神經元目前尚未有生物標記能區分它們，一類叫做軸突－軸突型神經元(axo-axoniccells,AACs,或稱chandelier)，另外有一類叫做籃狀神經元(basketcells,BCs)。

這兩類神經元最大的差別在於軸突末端的型態，軸突－軸突型神經元的軸突末端呈現放射狀，而籃狀神經元軸突末端則是水平狀。

由於大鼠齒狀迴的顆粒細胞層排列緊密，所以在光學顯微鏡下難以用軸突末端的型態分辨這兩種神經元。

在本論文中，我們利用推定的軸突－軸突型神經元和籃狀神經元建構一個定量的分類模型，在我們最終建構的模型中，我們用三個數值來代表一個神經元的特性，平均二次微分(meansecondderivative)和曲率半徑(radiusofcurvature)是在描述軸突末端的彎曲程度，路徑數量(numberofpaths)是軸突末端的個數。

我們用主成份分析(principalcomponentanalysis)來建構分類模型，其中參考了十一個神經元（有五個軸突－軸突型神經元以及六個籃狀神經元）的資訊，接著利用單一近鄰演算法(one-nearestneighboralgorithm)進行該十一個神經元的分類。

我們模型測試的準確率為0.91，平均杜恩指數(Dunnindex)為0.17941。

Thedentategyrusservesasagatewaytothehippocampus,receivingincomingdatafromthecortexandsendingtheoutputtootherhippocampalareas.Therearethreelayersinthedentategyrus:themolecularlayer,thegranulecellslayerandthepolymorphiclayer(hilus).Interneuronsofdifferentmorphologiesdwellmainlyinthegranulecellslayer.Amongthem,thesearetwotypesofcellthatcannotbeseparatedbymarkers.Oneisaxo-axoniccells(AACs,orchandeliercells)andtheotherisbasketcells(BCs).ThemaindistinctionbetweenAACsandBCsisthedirectionoftheiraxonalcollaterals.AACshaveaxonalcollateralsofradialdirection,whereasBCsoftangentialdirection.WhenweuselightmicroscopytoobserveratAACsandBCs,thegranulecellslayerinthedentategyrusissocompactthatthedirectionsofaxonalcollateralsofAACsandBCsarehardlydistinguishable.Inthisstudy,weuse3-DneuralmorphologydatatodevelopaquantitativemodelofputativeAACsandBCs.Inourfinalmodel,weapplythreeattributestodescribeaneuron."Meansecondderivative"and"radiusofcurvature"describethecurvatureofanaxonalterminal."Numberofpaths"describesthetotalnumbersofaxonalterminalsinaneuron.Webuildourmodelwithelevenneurons(fiveAACsandsixBCs)usingprincipalcomponentanalysis,andapplytheone-nearestneighboralgorithmtoclassifytheinputneurons.Theaccuracyofourclassificationmodelonelevenneuronsis0.91,andthemeanDunnindexis0.17941. AcknowledgementiAbstractiii摘要ivContentsvListofFiguresviiiListofTablesix1Introduction11.1Neurons.....................................11.2Thehippocampusandthedentategyrus......................31.3Axo-axoniccellandbasketcell.........................41.4Motivation...................................71.5Relatedworks..................................82Method92.1Datasourceandformat..............................92.2Workflow.....................................92.3RawFeatures..................................112.3.1Definitions.................................112.3.2Numberofpaths(NoP)............................162.3.3Celldisplacement(Cd)............................162.3.4Meanpathtortuosity(Tor)..........................182.3.5Terminaldeviation(Td)...........................192.3.6Radiusofcurvature(RoC)..........................212.3.7Meansecondderivative(2df).........................242.4PrincipalComponentAnalysis(PCA).......................292.5Onenearestneighboralgorithm.........................302.6Leave-one-outcross-validation(LOOCV).....................302.7Bruteforcefeatureselection.........................313Results333.1Rawfeaturesforeveryneuron.........................333.2AccuracyandDI................................334Discussion374.1Rawfeatures..................................374.1.1Numberofpaths(NoP)............................374.1.2Celldisplacement(Cd)............................374.1.3Meanpathtortuosity(Tor)..........................384.1.4Terminaldeviation(Td)...........................384.1.5Radiusofcurvature(RoC)..........................384.1.6Meansecondderivative(2df).........................384.2Combinationsofrawfeatures..........................394.2.1Thebestcombinationofrawfeatures.....................394.2.2Correlationsbetweenrawfeatures......................394.3Otherissues..................................404.3.1ScalingfactorsofneuroninSWCfileformat.................404.3.2Thenumberofsamples............................415Conclusion42References44Appendices47ASupplementarytables48BAdemowebsite55ListofFigures1.1Adiagramofabasicneuron...........................21.2Adiagramofthreemaintypesofneuronsbytheirfunction............31.3Thetemporallobeandthehippocampus......................41.4Structureofthedentategyrus..........................51.5Interneuronsinthedentategyrus........................62.1Flowchartofprocedures............................122.2Themorphologyofthedemoneuronin2-D....................132.3Tortuosity...................................173.1Correlationsbetweenrawfeatures.......................34B.1Theuploadingpageofourdemowebsite.....................56B.2Theresultpageofourdemowebsite......................56ListofTables2.1AnexampleneuroninSWCfileformat......................102.2ThestandardvaluesinSWCfileformat.....................112.3Positionvectorsindemoneuron........................172.4Sub-pathsindemoneuron............................182.5Distancesbetweenneighborpointsinsub(path(43);43,35)............192.6Changedvectorsofdemoneuronneareachsub-path...............222.7Unittangentvectorsofdemoneuronneareachsub-path.............232.8Radiusofcurvatureofdemoneuronforeachsub-path..............242.9Newcoordinationsofpointsindemoneuron...................262.10Firstderivativesofpointsnearsub-pathsindemoneuron...........272.11Meansecondderivativeofdemoneuron.....................283.1Rawfeaturesofeveryneuron..........................353.2TheaccuracyandDIofeveryfeaturecombinations...............36A.1Thedetailsofaccuracyforeveryfeaturecombination..............48 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