用于繪制高分辨小鼠全腦圖譜的斷層成像系統(tǒng)研究.pdf

1、科技發(fā)展日新月異，但大腦仍然是最大的未解之謎。結(jié)構(gòu)決定功能，腦的基本功能都依賴于神經(jīng)元的聚集體或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這些精細(xì)的腦解剖結(jié)構(gòu)是理解腦功能和腦疾病的基礎(chǔ)。為了觀察全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，至少需要在厘米大小范圍內(nèi)具備1 m的三維空間分辨能力，但經(jīng)典的磁共振、電鏡等成像技術(shù)均不能解決大樣本和高分辨的矛盾。因?yàn)槿鄙俸线m的研究方法，人們對哺乳動物完整腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系的認(rèn)識還非常匱乏。本文系統(tǒng)地論述了一種探測大尺寸樣本精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的方法、技術(shù)

2、和儀器，并將其應(yīng)用于小鼠全腦高分辨結(jié)構(gòu)圖譜研究。
　　 針對經(jīng)典成像方法在介觀水平的研究空白，本文建立了可對數(shù)厘米大小樣本進(jìn)行亞微米水平精細(xì)結(jié)構(gòu)三維成像的方法和技術(shù)。在采用“切片和成像同時進(jìn)行”的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決了三個關(guān)鍵問題：通過落射熒光成像方法來實(shí)現(xiàn)吸收成像，這種設(shè)計不僅提高了成像的對比度和分辨率，還簡化了成像系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，并使切削工具的特殊設(shè)計成為可能；設(shè)計了簡單有效的刀具和安裝方式，可執(zhí)行長時間高質(zhì)量的切削；設(shè)計了在同一平

3、面內(nèi)逐條切片的切削方式，使得樣品條暴露在水中的時間均勻且較短，避免出現(xiàn)不均勻的結(jié)構(gòu)變化。這些問題的解決，有效地避免了機(jī)械振動，解決了國際同行10 余年來尚未突破的關(guān)鍵技術(shù)問題?；谶@些方法和技術(shù)，本文研制了一臺顯微光學(xué)切片斷層成像系統(tǒng)（Micro-optical Sectioning Tomography，MOST），該系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地獲得1 m 厚的組織切片，實(shí)時地對切片實(shí)現(xiàn)0.71 m分辨率的掃描成像，并能準(zhǔn)確地同步上述兩個過

4、程。通過上述技術(shù)方法的創(chuàng)新，MOST系統(tǒng)具備了連續(xù)自動快速獲取數(shù)據(jù)、圖像無需額外配準(zhǔn)、穩(wěn)定性高和精確性高的特點(diǎn)。
　　 應(yīng)用MOST 系統(tǒng)，不間斷地進(jìn)行了242 小時數(shù)據(jù)采集，獲取Golgi-Cox 染色的小鼠全腦顯微結(jié)構(gòu)圖譜。平均獲取速率達(dá)到0.001 mm3=s，總數(shù)據(jù)量為8220 GB，包括15,380 層像素分辨率為0.33 0.33 1 m3的冠狀斷面圖像。對該數(shù)據(jù)集進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理、初步三維重建和神經(jīng)突起追蹤研究，

5、結(jié)果中無明顯的數(shù)據(jù)失配現(xiàn)象，可與傳統(tǒng)腦解剖學(xué)知識相對應(yīng)。據(jù)檢索，這是世界第一套來自同一只小鼠的突起水平的全腦顯微結(jié)構(gòu)圖譜。
　　 本文獲取的介觀水平小鼠全腦神經(jīng)解剖圖譜，為數(shù)字化鼠腦結(jié)構(gòu)和腦功能研究提供了重要的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。MOST 系統(tǒng)有望用于構(gòu)建不同腦疾病鼠全腦的圖譜，及鼠全腦內(nèi)血管微循環(huán)的精細(xì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)。結(jié)合熒光鼠腦樣本技術(shù)的進(jìn)展，可以高分辨地獲得鼠腦功能連接圖譜。MOST 系統(tǒng)還可以推廣應(yīng)用到對其他動植物樣品（如昆蟲、動