在全腦范圍同時獲取多種結(jié)構(gòu)的高分辨圖譜，對于剖析腦功能及阿爾茨海默癥(AD)等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制具有重要意義。當前，已有的成像技術(shù)和方法在實現(xiàn)大尺度、高分辨率的多種腦結(jié)構(gòu)元素同步成像方面，面臨挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院上海藥物研究所MOST與圖像融合技術(shù)服務部在Frontiers in Neuroscience上，發(fā)表了題為High-Resolution Digital Panorama of Multiple Structures in Whole Brain of Alzheimer's Disease Mice的研究論文。該研究基于顯微光學切片斷層成像(Micro-Optical Sectioning Tomography，MOST)系統(tǒng)獲得的全腦Nissl染色數(shù)據(jù)集，設(shè)計了針對相鄰灰度區(qū)間內(nèi)多種結(jié)構(gòu)元素的信息提取及重建策略，首次實現(xiàn)了基于Nissl染色的小鼠全腦Aβ斑塊分布可視化，在同一小鼠全腦中構(gòu)建了Aβ斑塊及其周圍胞體、神經(jīng)樹突、神經(jīng)束和血管的高精度全景圖(圖1)。該成果為闡釋AD相關(guān)病理狀態(tài)下的大腦解剖結(jié)構(gòu)特征提供了新思路。

新興的全腦成像技術(shù)(如光片照明顯微鏡、STP等)結(jié)合快速發(fā)展的熒光標記技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對全腦范圍熒光標記的單一結(jié)構(gòu)乃至兩到三個結(jié)構(gòu)的同時成像。然而，由于熒光團的光譜重疊和熒光發(fā)射的交叉，無法對具有三種或三種以上熒光標記的樣本進行同時成像。Aβ斑塊沉積是AD的主要病理特征之一。Aβ斑塊周圍存在神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)、神經(jīng)纖維以及血管等多種腦結(jié)構(gòu)，這些腦結(jié)構(gòu)相關(guān)的淀粉樣血管病變、白質(zhì)病變、腦室擴大和腦萎縮等多種病理損傷常見于AD患者的臨床影像中。Aβ斑塊相關(guān)的軸突營養(yǎng)不良、樹突棘丟失和突觸改變、星形膠質(zhì)細胞足板從血管內(nèi)皮壁分離、膠質(zhì)細胞招募和激活以及神經(jīng)元死亡等研究結(jié)果已被證實。因此，深入考察Aβ斑塊與其周圍多種腦結(jié)構(gòu)的相互作用，對探索AD的病理機制和進展具有重要意義。目前，已有多種成像手段揭示了Aβ斑塊的結(jié)構(gòu)和分布特征，也有多通道熒光標記等方法觀察到Aβ斑塊對腦結(jié)構(gòu)的影響，但缺乏在全腦范圍內(nèi)針對Aβ斑塊及其周圍環(huán)境三維構(gòu)筑的高精度、跨尺度研究。

研究發(fā)現(xiàn)，基于不同結(jié)構(gòu)在灰度和形態(tài)學上的差異，MOST結(jié)合全腦Nissl染色方法可以同時提供全腦多結(jié)構(gòu)元素的多重信號。然而，MOST系統(tǒng)產(chǎn)生的高通量明場圖像數(shù)據(jù)富含高內(nèi)涵信息，且胞體和血管等結(jié)構(gòu)形態(tài)復雜、分布廣泛;明場圖像與熒光圖像相比，背景也更復雜、對比度更差;TB級別數(shù)據(jù)量對數(shù)據(jù)存儲、讀取和處理造成的困難等，均在一定程度上限制了MOST技術(shù)在明場成像方面的拓展。為此，科研團隊開發(fā)了一種基于灰度值差異和形態(tài)學特征的多結(jié)構(gòu)提取及重建的可視化方法，并據(jù)此開展多種結(jié)構(gòu)的高精度跨尺度的全腦構(gòu)筑研究。

研究顯示，全腦Aβ斑塊密度最大區(qū)域及大尺寸斑塊分布最密集區(qū)域均為內(nèi)嗅皮層和鄰近的海馬腹側(cè)下托區(qū)域，這提示Aβ病理可能最早出現(xiàn)在這些最密集的區(qū)域(圖2)。在全腦范圍，Aβ斑塊分布較密集的區(qū)域通常具有相對較多的胞體且處于血管遠端，而神經(jīng)纖維束在Aβ斑塊相對稀疏的區(qū)域較為密集。在局部腦區(qū)，皮層區(qū)域可視化和定量分析均顯示Aβ斑塊密集區(qū)靠近胞體豐富的深部區(qū)域，而海馬內(nèi)的Aβ斑塊成層狀分布在錐體細胞層和顆粒細胞層附近。在亞微米分辨水平上，海馬輻射層內(nèi)Aβ斑塊周圍的神經(jīng)樹突顯示出明顯的彎曲或截斷，海馬下托的毛細血管穿過斑塊內(nèi)部或附近，也呈現(xiàn)一定程度截斷或變形，且表面粗糙度高(圖3)。該研究在全腦尺度對Aβ斑塊及其周圍多種精細結(jié)構(gòu)的解讀，有助于系統(tǒng)性考察AD等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理損傷。針對同一樣本的多種結(jié)構(gòu)信息的準確提取和精確重建，獲取多結(jié)構(gòu)信號的全局景觀，有助于全面精細解讀腦組織結(jié)構(gòu)及其功能，為腦疾病相關(guān)病理機制探究注入新動力。

本研究發(fā)展的同步可視化方法，不僅適用于小鼠正常及病理情況下的全腦多種結(jié)構(gòu)同步分析，而且適合于小鼠的其他組織器官乃至其他更大空間尺度的大鼠、猴以及人類的組織樣本MOST數(shù)據(jù)集的研究分析。

研究工作得到國家杰出青年科學基金、臨港實驗室專項、中科院青年創(chuàng)新促進會、上海市市級科技重大專項、上海市“超級博士后”激勵計劃以及中國博士后科學基金等的支持。

圖1.全腦Aβ斑塊及其與多種腦結(jié)構(gòu)的同步可視化。A-F、6月齡5×FAD小鼠多種腦結(jié)構(gòu)信號的全腦可視化：A、胞體、血管、神經(jīng)束和斑塊;B、胞體、神經(jīng)束和斑塊;C、胞體、血管和斑塊;D、胞體和斑塊;E、神經(jīng)束和斑塊;F、血管和斑塊。

圖2.全腦三維可視化展示Aβ斑塊的解剖分布。A、6月齡5×FAD小鼠全腦Aβ斑塊分布的三維側(cè)面視圖;B、斑塊密度分布的三維熱圖，斑塊密度采用顏色尺度編碼，深藍為最低密度;C、不同直徑的斑塊數(shù)量的統(tǒng)計分析，X軸上的顏色按斑塊直徑編碼，根據(jù)不同直徑范圍顯示。

圖3.Aβ斑塊周圍神經(jīng)樹突結(jié)構(gòu)異常與血管損傷。A-C、海馬輻射層的代表性高分辨圖像顯示典型Aβ斑塊及其周圍的神經(jīng)樹突;D-F、局部展示斑塊和血管的相互作用。