全腦精細成像技術(shù)簡介及其應(yīng)用

時間：2024-03-25 熱度：151

全腦成像技術(shù)原理及特點

理解腦功能的機理，需要獲取神經(jīng)元的完整形態(tài)以及全腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖譜，因此，發(fā)展全腦精細成像的方法至關(guān)重要。全腦成像工作原理類似用衛(wèi)星給地球做全景掃描，其空間分辨精度達到亞微米級，不足一根頭發(fā)絲粗細的1/60。利用光學成像手段，不僅可以看到局部神經(jīng)連接，還能在全腦范圍觀察構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維“公路”和“鐵路”。

顯微光學切片斷層成像（Micro-Optical sectioning tomography，MOST）系統(tǒng)是一種基于機械切削的全腦成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用成像系統(tǒng)對樣本表面進行成像，利用切片機對塑性包埋的樣本進行表面組織切除，繼續(xù)對新的表面成像，最終實現(xiàn)了軸向分辨率為1um的完整鼠腦數(shù)據(jù)集的采集。MOST 系統(tǒng)相對應(yīng)的樣本類型是尼氏和高爾基染色的非熒光標記的樣本。針對熒光標記樣本研究的熒光顯微鏡光學切片斷層成像系統(tǒng)（fMOST），包括有單光子fMOST、雙光子fMOST以及基于結(jié)構(gòu)光照明的全腦精準成像系統(tǒng)（brain-wide positioning system,BPS）。其中，單光子fMOST和雙光子fMOST系統(tǒng)采用點掃描的成像方式，成像時間長；BPS 系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光照明模式，成像速度快，切削和成像分離，成像使用汞燈作為光源，因此，可以在全腦實現(xiàn)快速高分辨成像，不僅能滿足神經(jīng)環(huán)路水平的成像，還能滿足神經(jīng)元精細形態(tài)的獲取。

各類MOST系統(tǒng)都是面向哺乳動物全腦大樣本、全自動運行的儀器，解決了以往神經(jīng)科學實驗中依靠手工操作、圖像不連續(xù)、成像范圍小、空間分辨率低、通量小、信息不完整等問題，將研究水平從局部平面成像，提升到全腦三維信息的獲取。

全腦成像技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)研究目的的不同，全腦成像可以分為組織水平、突起水平和軸突水平的成像。組織水平成像以斷層厚度約在數(shù)十至百微米水平進行三維重建為目的，建立結(jié)合振動切片方式的全自動快速顯微光學成像系統(tǒng)，以及光片照明成像系統(tǒng)。可獲取熒光標記的特定類型神經(jīng)元在全腦的分布信息、神經(jīng)投射信息，以及對樣本切片收集后，繼續(xù)做免疫學檢測。共聚焦顯微鏡系統(tǒng)和全自動快速顯微光學成像系統(tǒng)目前可以實現(xiàn)僅用一天時間完成小鼠全腦細胞的熒光分布和強度的圖像采集。

突起水平成像以在大體積、甚至全腦范圍獲取長程或局部神經(jīng)環(huán)路高分辨結(jié)構(gòu)信息為目的，建立具有亞微米分辨率的結(jié)構(gòu)光照明熒光顯微成像系統(tǒng)。這種成像技術(shù)不僅可以獲取細小如長程軸突、樹突的信息，還能同時提供細胞構(gòu)筑的空間定位信息。此外，這種成像系統(tǒng)還可以在全腦范圍獲取血管網(wǎng)絡(luò)信息。

軸突水平成像適用于在大體積、甚至全腦范圍獲取稀疏標記的神經(jīng)元完整形態(tài)，以普查細胞類型的需求為目的。軸突是單個神經(jīng)元中最大的功能結(jié)構(gòu)，通常軸突具有豐富的分支，而且長程投射范圍可能達多個腦區(qū)，神經(jīng)元的形態(tài)特征是對其進行分類的主要方法。

全腦精細成像檢測的工作流程

腦組織染色/標記→腦組織取材及處理→塑性包裝→成像→數(shù)據(jù)分析→分析結(jié)果輸出。