fMOST应用近半年重要学术成果汇编

2023-12-11

前言

骆清铭院士和龚辉教授带领MOST团队发明的显微光学切片断层成像系列技术(MOST/fMOST)作为介观尺度精准的三维完整器官成像技术,已在神经机制、脑疾病、心脑血管疾病以及药理毒理等科学前沿领域研究中发挥重要作用,并带动了相关标记技术和大数据处理和解析技术的发展。

近半年来,应用fMOST技术的学术研究硕果累累,相关论文发表在Cell Research、Nature Neuroscience、Advanced Science、PNAS、Translational Stroke Research等多家知名国际期刊上。小编精心整理了其中10篇典型应用文章,内容涵盖了神经图谱研究、脑血管疾病成像、成像与分析技术、外周-中枢连接通路、多组织器官成像等领域,供学术分享。

 

神经图谱研究

脊髓-皮层连接盘三维成像

2023年6月13日,广东省智能科学与技术研究院(简称:广东省智能院)张旭团队在期刊Cell Research发表了研究论文"A direct spino-cortical circuit bypassing the thalamus modulates nociception"。本研究结合了神经环路示踪、fMOST、电镜、钙成像、行为学等实验方法,发现了一条新的传导痛觉的脊髓-皮层直接通路,为理解大脑处理痛觉等感觉信息提供了新的神经传导通路机制。利用神经环路示踪技术,研究团队发现了脊髓上行轴突和来自脊髓-皮层接受神经元(SCRNs)的下行轴突在BPN核团的内侧区域形成了一种特殊的盘状结构,研究者将其命名为脊髓-皮层连接盘(Spino-cortical connecting disc,简称SCCD),并通过fMOST技术对其进行三维成像。

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41422-023-00832-0

 

前额叶皮层树突投射图谱

2023年5月22日,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)严军团队在期刊Nature Neuroscience发表了研究论文"Single-neuron analysis of dendrites and axons reveals the network organization in mouse prefrontal cortex"。本研究利用fMOST技术并结合病毒稀疏标记技术,重构和分析了小鼠前额叶皮层1,920个神经元的树突和轴突完整形态,全面刻画了前额叶皮层投射神经元树突的多样性和形态类型,并揭示了神经元树突形态与轴突投射的关系,进而重构了前额叶皮层投射神经元类型之间的联接网络。通过精细定量刻画树突的形态和聚类分析,发现了24种类型的典型锥体神经元树突以及多种非典型锥体神经元树突。同时研究了神经元树突形态和轴突投射的关系,发现树突越复杂的神经元轴突投射也越广泛。

 

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41593-023-01339-y

 

感觉运动皮层锥体神经元全脑连接组

2023年4月21日,MOST团队在期刊iScience发表了研究论文"Long-range connectome of pyramidal neurons in the sensorimotor cortex"。本研究结合fMOST、小鼠遗传学和病毒追踪,首次以0.32×0.32×2μm³的分辨率绘制了感觉运动皮层六个亚区域中锥体神经元的全脑连接。通过使用多种遗传分子靶向皮层中的内脑神经元(IT)和锥体束神经元(PT),描绘了IT和PT的全脑投射和输入。结果显示,这些神经元的连接具有区域、细胞类型和层次的特异性,形成了复杂而多样的子回路。这项研究为理解感觉运动皮层的功能组织和回路结构提供了一个全面的解剖资源。

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.106316

 
 

组胺能神经元全脑投射图谱

2023年4月4日,浙江中医药大学陈忠团队和MOST团队在期刊PNAS发表了研究论文"Whole-brain mapping of histaminergic projections in mouse brain"。本研究使用组氨酸脱羧酶(HDC)-CreERT2小鼠和遗传标记策略,利用fMOST首次重建了组胺能神经元的全脑三维(3D)结构,分别以0.32×0.32×2μm 3分辨率重构全脑组胺神经元胞体,以0.32×0.32×1μm 3的分辨率首次建立了空间维度上精准的量化组胺能神经投射全脑图谱。此外,对稀疏标记的单个组胺能神经元的全脑三维重建,揭示了其复杂和异质的投射模式。本研究为将来对于组胺能神经环路功能的精准解析提供了切实的依据与坚实的基础,为中枢组胺能神经系统的研究翻开新的篇章。

 

原文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.221623112

 

脑血管疾病成像

全脑血管三维成像

2023年5月24日,上海中医药大学岳阳市中西医结合医院韩燕团队在期刊Translational Stroke Research发表了研究论文"3D Visualization of Whole Brain Vessels and Quantification of Vascular Pathology in a Chronic Hypoperfusion Model Causing White Matter Damage"。本研究利用fMOST技术对构建的双侧颈总动脉狭窄(BCAS)诱导的脑小血管疾病(CSVD)小鼠模型的全脑血管进行三维成像,发现BCAS小鼠的大血管数量减少,微血管数量增加,白质区域的血管长度密度、体积分数、分支数和分叉角度均降低,血管扭曲度增加。这些结果表明,慢性脑缺血导致了小鼠的白质损伤、血管病变和认知障碍,为理解CSVD等相关疾病的发病机制和治疗方法提供了有用的证据。

 

原文链接:https://doi.org/10.1007/s12975-023-01157-1

 

脑出血后神经突三维成像

2023年2月13日,华中科技大学同济医学院唐洲平、潘超团队在期刊Stroke & Vascular Neurology 发表了研究论文"Homocysteine impedes neurite outgrowth recovery after intracerebral haemorrhage by downregulating pCAMK2A"。本文研究了高同型半胱氨酸血症(HHcy)对脑出血(ICH)后神经元突起生长和神经功能恢复的影响和机制。结合fMOST技术,对Golgi-Cox染色的ICH+HHcy和ICH组的小鼠脑进行扫描,重建了尾壳核、海马和杏仁核内的神经元,并测量了不同脑区的神经元突起分支密度,同时利用fMOST追踪了小鼠脑内的长距离轴突。通过fMOST直观展示了pCAMK2A对促进ICH后神经元突起生长作用。

 

原文链接:http://dx.doi.org/10.1136/svn-2022-002165

 

成像与分析技术

高通量单细胞水平全器官三维成像系统

2023年2月3日,MOST团队在期刊communications biology发表了研究论文"Three-dimensional mapping in multi-samples with large-scale imaging and multiplexed post staining"。本研究建立了一套称为Array-fMOST的高通量单细胞水平全器官三维成像系统,可以在15天内完成32个小鼠脑同步成像(分辨率0.65μmx0.65μmx0.3μm)。基于这套系统,作者对阿尔茨海默症、自闭症、自然衰老等多种模型进行成像,并将该技术应用于多样本细胞定位、分子表型鉴定、细胞构筑、神经投射等研究。

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s42003-023-04456-3

 
 

全新血管重构分析工具

2023年5月11日,MOST团队在期刊Journal of Innovative Optical Health Sciences发表了研究论文"Cerebrovascular segmentation from mesoscopic optical images using Swin Transformer"。本研究介绍了一种基于Swin转换的的血管分割方法,将其命名为SegVesseler。利用该方法对fMOST和HD-fMOST成像的三种不同的介观光学全脑血管数据集上进行了评估,与传统的CNN-based方法相比,该方法具有更好的分割效果和先进的性能,为全脑血管重建和分析提供了一种有效的工具。

 

原文链接:https://doi.org/10.1142/S1793545823500098

 

外周-中枢连接通路

纳米银的肠脑轴通路

2023年7月7日,纳米科学中心陈春英团队在期刊Science Advances发表了研究论文"Peripheral nerves directly mediate the transneuronal translocation of silver nanomaterials from the gut to central nervous system"。本研究使用了小鼠和恒河猴作为实验模型,通过口服给予银纳米材料(Ag NMs),并用各种技术检测了它们在不同器官的分布和形态,发现Ag NMs从肠道经过周围神经直接转移到中枢神经系统(CNS)。利用fMOST技术结合实时PI复染技术展示了Ag NPs材料在迷走神经中的迁移过程。文章提出外周神经纤维作为‘非经典途径’介导纳米颗粒在体内器官间的转运,最终绘制了纳米银从源端肠道—外周神经—终端中枢神经系统的全环路转运谱图。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg2252

 

多组织器官成像

小鼠心脏三维成像

2023年1月14日, MOST团队在期刊Biomedical Optics Express 发表了研究论文"Vacuum-assisted tissue embedding for whole-heart imaging"。本研究介绍了一种真空辅助组织包埋技术,用于制备高填充的琼脂糖嵌入的整心组织进行薄切片和器官范围成像。本文还比较了不同浓度的琼脂糖对切片效果的影响,发现6%的琼脂糖能够实现较薄的5微米完整心脏切片。同时使用振动切片机集成的(fMOST)系统以0.32μm×0.32μm×1μm的分辨率对琼脂糖包埋的整心样本通过PI实时复染对心脏成像。成像结果显示即使是最小的乳头肌的静脉分支也能实现较好的追踪和重建。

 

 

原文链接:https://doi.org/10.1364/BOE.488766

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