6 research outputs found
Automatic Discrimination of Color Retinal Images using the Bag of Words Approach
International audienceDiabetic retinopathy (DR) and age related macular degeneration (ARMD) are among the major causes of visual impairment all over the world. DR is mainly characterized by small red spots, namely microaneurysms and bright lesions, specifically exudates. However, ARMD is mainly identified by tiny yellow or white deposits called drusen. Since exudates might be the only visible signs of the early diabetic retinopathy, there is an increase demand for automatic diagnosis of retinopathy. Exudates and drusen may share similar appearances; as a result discriminating between them plays a key role in improving screening performance. In this research, we investigative the role of bag of words approach in the automatic diagnosis of retinopathy diabetes. Initially, the color retinal images are preprocessed in order to reduce the intra and inter patient variability. Subsequently, SURF (Speeded up Robust Features), HOG (Histogram of Oriented Gradients), and LBP (Local Binary Patterns) descriptors are extracted. We proposed to use single-based and multiple-based methods to construct the visual dictionary by combining the histogram of word occurrences from each dictionary and building a single histogram. Finally, this histogram representation is fed into a support vector machine with linear kernel for classification. The introduced approach is evaluated for automatic diagnosis of normal and abnormal color retinal images with bright lesions such as drusen and exudates. This approach has been implemented on 430 color retinal images, including six publicly available datasets, in addition to one local dataset. The mean accuracies achieved are 97.2% and 99.77% for single-based and multiple-based dictionaries respectively
Automatic Classification of Bright Retinal Lesions via Deep Network Features
The diabetic retinopathy is timely diagonalized through color eye fundus
images by experienced ophthalmologists, in order to recognize potential retinal
features and identify early-blindness cases. In this paper, it is proposed to
extract deep features from the last fully-connected layer of, four different,
pre-trained convolutional neural networks. These features are then feeded into
a non-linear classifier to discriminate three-class diabetic cases, i.e.,
normal, exudates, and drusen. Averaged across 1113 color retinal images
collected from six publicly available annotated datasets, the deep features
approach perform better than the classical bag-of-words approach. The proposed
approaches have an average accuracy between 91.23% and 92.00% with more than
13% improvement over the traditional state of art methods.Comment: Preprint submitted to Journal of Medical Imaging | SPIE (Tue, Jul 28,
2017
DYSREGULATION OF CALCIUM SIGNALING IN PHOTORECEPTOR SYNAPSES OF EAE MICE, A MULTIPLE SCLEROSIS ANIMAL MODEL
Ribbon synapses are specialized chemical synapses. Unlike conventional chemical synapses, they
remain continuously active, responding tonically in a graded fashion to varying strengths of the
relevant stimuli, over a broad range of intensities. Sustained continuous vesicle release in ribbon
synapses is ascribed to a special electron-dense presynaptic structure, called the ribbon. In
photoreceptor ribbon synapses light-induced changes in membrane potential are transformed into
graded continuous neurotransmitter release.
The main building component of the synaptic ribbon is the protein RIBEYE. The ribbon is anchored
at the active zone and associated with many release-ready vesicles. Depolarization-induced opening
of Cav channels, at the active zone, triggers synaptic vesicle exocytosis and the subsequent release
of neurotransmitter contents into the synaptic cleft. Various active zone proteins, including the
RIMs, control Cav channel localization and function. ER-resident SERCA pump and plasma
membrane-resident Ca2+ ATPases (PMCAs) play a crucial role in maintaining Ca2+ homeostasis in
the presynaptic terminal by extruding elevated Ca2+ levels from the cytosol in an ATP-dependent
manner. Ca2+ homoestasis is important for controlling the basal sustained neurotransmitter release
at ribbon synapses.
Multiple sclerosis (MS) is a severe neuroinflammatory, degenerative disease of the central nervous
system (CNS), in which the immune system attacks the myelin sheath of myelinated axons, leading
to demyelination. However, the damage is not restricted to white matter alone. Evidences of early
grey matter cortical lesions in the brain and retinal layer thinning indicate a more complex
immunopathology. The retina is also an unmyelinated tissue. Experimental autoimmune
encephalitis (EAE), a well established mouse model of MS, shows retinal ganglion cell death and
retinal nerve fibre layer (RNFL) thinning in its preclinical stage. Interestingly Dembla et al., 2018
observed a significantly decreased synaptic vesicle cycling in photoreceptor synapses in EAE mice
at a pre-clinical phase. Since Ca2+ ions play a crucial role in synaptic vesicle cycling, I analysed for
possible malfunctions in Ca2+ signaling in photoreceptor ribbon synapses of EAE mice in its
preclinical stage.
Immunofluorescence assay of Cav1.4 α1F, the pore forming subunit, show decreased fluorescence
intensity at photoreceptor synapses in the OPL of MOG/CFA (EAE) mice retinal sections in
comparison to control sections with no significant reduction in the number of punctas in a defined
length of the OPL. However, the average size of the Cav punctas in EAE was significantly smaller as
judged by super-resolution structured illumination microscopy (SR-SIM). Similar results were also
obtained for the β subunits of Cav1.4 channels. These findings indicate that although the number of
Cav channel clusters remain unaltered in EAE preclinical phase, the number of channels in each
cluster decrease. Western blot analyses using CFA and MOG/CFA mice retinal lysates showed
similar levels of α1F protein in the two groups, implying that it is clustering of the Cav1.4 channels,
which is primarily affected and not the total expression of the Cav protein. Interestingly Cavβ2
shows a significant reduction in EAE in Western blot analyses. Recent studies show that β subunits
can also operate as a separate entity independent of the other Cav subunits, which might explain the
different changes of Cav1.4 alpha and beta relative to each other. Immunofluorescence assay for
RIMs that are crucially important for Cav channel localization and regulation showed a similar
finding as the Cav1.4 proteins. RIM2 immunosignals (at the active zone of photoreceptor synapses)
exhibited a highly significant reduction in their intensities in MOG/CFA photoreceptor synapses
with the count for the number of punctas remaining unchanged compared to the control (CFA).
Western blot analyses also exhibited a highly significant loss in total protein content of RIMs 1 and
2 in EAE retinal lysates. Thus, Cav channels and their regulators, RIMs, both are found to be
adversely affected in photoreceptor synapses of EAE mice at a preclinical stage.
Ca2+ influx measurements in CFA and MOG/CFA retinal slices using FURA2-AM, showed that
depolarization-evoked Ca2+ influx at the OPL in MOG/CFA slices was reduced in amplitude and
slowed in kinetics of Ca2+ increase. During my Fura2 imaging studies, I found additional alterations
of Ca2+ homeostasis. The basal Ca2+ concentrations were elevated in preclinical EAE mice
photoreceptor synapses. To find possible mechanisms for the increased basal Ca2+, I analyzed key
components of Ca2+ extrusion mechanisms in photoreceptor terminals. PMCA2, the more efficient
PMCA isoform with higher Ca2+ affinity, showed a significant reduction in its synaptic expression in
EAE retina. The decreased synaptic expression of PMCA2 could result in a decreased cytosolic Ca2+
clearance and thus to the observed increase in basal Ca2+. PMCA1 and another protein PSD95, a
photoreceptor presynaptic marker for synaptic integrity, remained unaltered in
immunofluorescence studies. Thus, in preclinical phase of EAE, synaptic Ca2+ signaling is affected at
various levels and could contribute to the recently discovered dysfunctions of synaptic vesicle
cycling.Ribbonsynapsen sind spezialisierte chemische Synapsen. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Synapsen sind sie kontinuierlich aktiv und reagieren über eine enorme Bandbreite an Reizintensitäten mit graduierten Antworten. Die Fähigkeit zur kontinuierliche Vesikelfreisetzung der Ribbonsynapsen wird einer speziellen elektronendichten präsynaptischen Struktur, dem sogenannten Ribbon, zugeschrieben. In Photorezeptorribbonsynapsen werden lichtinduzierte Änderungen des Membranpotentials in abgestufte kontinuierliche Neurotransmitterfreisetzung umgewandelt.
Der Hauptbestandteil des Ribbons ist das Protein RIBEYE. Der Ribbon ist in der aktiven Zone verankert und mit vielen, Freisetzungskompetenten Vesikeln verbunden. Die durch Depolarisation induzierte Öffnung von Cav- Kanälen in der aktiven Zone löst die Exozytose aus und setzt Neurotransmitter aus den synaptischen Vesikeln in den synaptischen Spalt frei. Verschiedene Proteine der aktiven Zonen, einschließlich der RIM-Proteine, steuern die Lokalisierung und Funktion dieser Cav Kanälen. Weiterhin spielen eine am ER-befindliche SERCA-Pumpe und in der Plasmamembran lokalisierte Ca2+-ATPasen (PMCAs) eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Ca2+ -Homöostase in der präsynaptischen Terminale. PMCA’s schleusen Ca2+ ATP-abhängig aus der präsynaptischen Terminale. Die Aufrechterhaltung der Ca2+ Homöostase ist für die Steuerung der basalen verzögerten Freisetzung an den Ribbonsynapsen wichtig.
Die Multiple-Sklerose (MS) ist im Wesentlichen eine neuroinflammatorische, degenerative Erkrankung des Zentralnervensystems (ZNS), bei der das Immunsystem die Myelinscheide von Axonen angreift, was zu der Demyelinisierung der Axone führt. Der Schaden ist jedoch nicht ausschließlich auf die weiße Substanz des ZNS beschränkt. Wachsende Hinweise auf frühe Schädigungen der grauen Substanz, wie z.B. kortikale Gehirnläsionen oder die Dickenabnahme der Netzhautschichten deuten auf eine deutlich komplexere Immunopathologie hin. Die Netzhaut ist ein nicht-myelinisierter Abschnitt des ZNS. Die experimentelle autoimmune Encephalomyelitis (EAE), ein gut etabliertes Mausmodell für MS, zeigt das Absterben retinaler Ganglienzellen und das Ausdünnen der RNFL (retinalen Nervenfaserschicht) bereits in der präklinischen Phase. Interessanterweise beobachteten Dembla et al., 2018 , einen signifikant verringerten synaptischen Vesikelzyklus in Photorezeptor-Synapsen von EAE-Mäusen in der vorklinischen Phase. Da Ca2+ Ionen eine entscheidende Rolle beim synaptischen Vesikelzyklus spielen, untersuchte ich mögliche Störungen des Ca2+ Signals in Photorezeptor-Synapsen von EAE-Mäusen im präklinischen Stadium.Immunfluoreszenzuntersuchungen der porenbildenden Kanaluntereinheit Cav1.4 α1F zeigten verringerte Immunsignale in Netzhautschnitten von behandelten (MOG/CFA) im Vergleich zu solchen von Kontrolltieren (CFA alleine), wobei die Anzahl der Immunsignale je gegebener Länge OPL unverändert war. Wie durch hochauflösende strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SR-SIM) gezeigt werden konnte, war die durchschnittliche Größe der Cav Immunsignale unter EAE-Bedingungen signifikant geringer, als die der Kontrolltiere. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für die β Untereinheiten der Cav1.4-Kanälen erhalten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der Cav Kanal-Cluster in der präklinischen Phase der EAE unverändert bleibt, die Anzahl der Kanäle in dem Cluster jedoch abnimmt. Western-Blot-Analysen von Retina-Lysaten der CFA und MOG/CFA-Mäusen zeigten vergleichbare Mengen an α1F-Protein in den beiden Gruppen. Dies deutet darauf hin, dass weniger die Proteinexpression (gleiche Menge an Gesamtprotein) als vielmehr die Clusterbildung der Cav1.4 Kanäle betroffen ist. Im Gegensatz dazu zeigten Western Blot Analysen der Cavβ2-Untereinheit eine deutlich reduzierte Proteinmenge unter EAE-Bedingungen. Neuere Studien zeigen , dass die Cavβ2-Untereinheiten auch als eigenständige Einheit unabhängig von den anderen Cav-Untereinheiten, arbeiten kann, was möglicherweise die. Unterschiede in derim Gesamtproteingehalt von Cav1.4α und Cavβ2 relativ zueinander unter EAE-Bedingungen erklärt. Immunfluoreszenzuntersuchungen der RIM Proteine, die für die Lokalisierung und Regulation von Cav Kanälen von entscheidender Bedeutung sind, führten zu ähnliche Ergebnisse wie für die Cav1.4-Proteine gezeigt. RIM2-Immunsignale (in der aktiven Zone der Photorezeptor-Synapsen) zeigten eine sehr signifikante Verringerung ihrer Intensitäten in MOG/CFA-Photorezeptor-Synapsen, wobei die Anzahl der Signale gegenüber der Kontrolle (CFA) unverändert blieb. Western-Blot-Analysen zeigten eine sehr deutliche Reduktion des Gesamtproteingehalts an RIMs 1 und 2 in EAE-Retina-Lysaten. Somit konnte ich zeigen, dass sowohl die Cav Kanäle als auch ihre Regulatoren, die RIMs, beide bereits in der vorklinischen EAE Phase nachteilig beeinflusst werden. Ca2+-Messungen mittels FURA2AM in CFA- und MOG/CFA-Retina-Schnitten zeigten, dass der durch Depolarisation hervorgerufene Ca2+-Einstrom in der OPL von MOG/CFA Retina-Schnitten in der Amplitude verringert war und die Kinetik des Ca2+ Anstiegs reduziert war. Während meiner Fura2-Untersuchungen fand ich zusätzliche Veränderungen der Ca2+-Homöostase. Die basalen Ca2+-konzentrationen waren bei präklinischen EAE-Mäuse-Photorezeptor-Synapsen erhöht. Um mögliche Mechanismen für das erhöhte Basal Ca2+ zu finden, analysierte ich Schlüsselkomponenten der Ca2+-Extrusionsmechanismen in Fotorezeptorendgeräten. PMCA2, die effizientere PMCA-Isoform mit höherer Ca2+ Affinität, zeigte eine signifikante Reduktion der synaptischen Expression in der EAE-Retina. Die verminderte synaptische Expression von PMCA2 könnte zu einer verminderten zytosolischen Ca2+-Clearance und damit zu einer beobachteten Erhöhung des Basal Ca2+ führen. PMCA1 und ein anderes Protein PSD95, ein präsynaptischer Photorezeptor-Marker für die synaptische Integrität, blieb in Immunfluoreszenzstudien unverändert. In der präklinischen Phase der EAE können die gestörten Ca2+-Signale zu den kürzlich entdeckten Funktionsstörungen des synaptischen Vesikelzyklus beitragen