Neuroscience Bulletin最新上线综述︱华中科技大学袁菁教授︱​全面总结全脑显微光学成像的原理及应用

2023-12-14

全脑显微光学成像:介观水平绘制全脑精细结构地图的有力工具

Whole-brain Optical Imaging: A Powerful Tool for Precise Brain Mapping at the Mesoscopic Level

江涛1 • 龚辉1,2 • 袁菁1,2

1华中科技大学苏州脑空间信息研究院,苏州215000,中国

2华中科技大学武汉光电国家研究中心,武汉430074,中国

第一作者:江涛

通讯作者:袁菁

 

 

大脑是生命进化的顶峰,破译大脑工作机理是人类的终极梦想,但迄今为止,科学家们还未能揭示出记忆、思维和意识这些大脑功能的基本机制。由于对大脑结构和功能的了解有限,也导致治疗如阿尔茨海默病和帕金森病等脑疾病的有效药物和方法的缺乏。

哺乳动物的大脑是一个高度复杂的网络,由数百万到数十亿个密集的相互连接的神经元组成,同时神经元的胞体、小动脉和小静脉的直径仅为几十微米,毛细血管的直径仅为几微米,而树突和轴突纤维的直径则在1微米及以下。在介观尺度绘制全脑范围神经环路、血管网络的三维精细结构可以为理解大脑提供重要的结构信息,是阐明脑功能运行机理的一个重要前提

 

近年来,在介观尺度绘制脑联接图谱,定义细胞种类及其排布规律,以理解脑功能的结构基础,助力人工智能、组织再生工程等新兴学科的发展,已成为生命科学的重要前沿方向之一。绘制脑图谱涉及在介观尺度进行特异性标记、全脑显微光学成像、大数据处理及生物学解读,其中全脑显微光学成像扮演了不可或缺的重要角色,负责以亚细胞分辨率获取全脑三维精细结构,为绘制脑图谱提供数据基础,所采集图像的质量与完整度,直接影响到后续相关数据挖掘的难易程度。

显微光学成像方法具有亚微米的横向分辨率及"光学切片"的层析成像能力,在介观水平观察神经环路结构具有天然优势。通过结合组织光透明技术或组织切片技术(图1)来克服组织散射和吸收对于光学成像深度的限制,可以实现细胞分辨的全脑显微光学成像。各类全脑显微光学成像技术的快速发展带来了前所未有的大规模精细数据,在全脑细胞、神经环路和血管的定量分析方面显示出巨大的应用潜力,推动了神经解剖学的复兴。

 

图1 全脑显微光学成像的技术路径。A 光片照明显微成像与组织光透明处理结合实现全脑成像。B 各类块表面层析成像与组织切片结合实现全脑成像

 

图2 全脑显微光学成像结果展示。A MOsPlxnD1+单级输入神经元的小鼠全脑三维水平面渲染图。B、C 6个AAV-GFP标记(prelimbic area)神经元形态重建结果的水平面和矢状面展示图。D 100μm厚小鼠血管冠状面图像的最小值投影图。D、E 海马局部血管的三维可视化结果。

 

全文总结

目前,各类特异性标记、全脑显微光学成像和信息学工具的无缝整合已经开始产生统计学上的有力结论,改变人类对脑神经联接关系的认识和理解。全脑显微光学成像方法的持续发展将为破译结构-功能关系、理解复杂的大脑功能和人类大脑疾病提供关键信息

文章链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-023-01112-y

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