概念驗證演示涉及以五個數(shù)量級的分辨率對整個小鼠大腦進行成像，研究人員表示，這一步驟將更好地連接現(xiàn)有的成像方法并揭示有關(guān)大腦結(jié)構(gòu)的新細節(jié)。
這一進展于 6 月 9 日發(fā)表在NeuroImage 上，將使科學家能夠在微觀和宏觀層面連接生物標志物，提高 MRI 成像的分辨率并為電子顯微鏡提供更大的背景。
我們的實驗室非常有興趣在多個尺度上繪制大腦圖，以獲得對大腦外觀的公正描述。當我加入這里的教職員工時，我了解到的第一件事就是阿貢擁有這種極其強大的 X 射線顯微鏡，但它還沒有用于大腦繪圖，所以我們決定嘗試一下。”
Narayanan "Bobby" Kasthuri, MD, 研究資深作者和芝加哥大學醫(yī)學中心神經(jīng)生物學助理教授
顯微鏡使用一種稱為基于同步加速器的 X 射線斷層掃描的成像，它可以被比作“微型 CT”，或微型計算機斷層掃描。得益于阿貢同步加速器粒子加速器產(chǎn)生的強大 X 射線，研究人員能夠以一微米(1/10,000 厘米)的分辨率對整個小鼠大腦(大約一立方厘米)進行成像。收集整個大腦的圖像大約需要六個小時，總計大約 2 TB 的數(shù)據(jù)。這是在這種分辨率水平下進行全腦成像的最快方法之一。
MRI 可以快速成像整個大腦以追蹤神經(jīng)元束，但分辨率不足以觀察單個神經(jīng)元或其連接。另一方面，電子顯微鏡 (EM) 可以揭示單個突觸的細節(jié)，但會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這使得觀察體積大于幾微米的腦組織碎片在計算上具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)有的以微米分辨率研究神經(jīng)解剖學的技術(shù)通常只是二維的，或者使用與 MRI 或 EM 成像不兼容的協(xié)議，因此無法使用相同的腦組織進行所有尺度的成像。
研究人員很快意識到他們的新微 CT 或 μCT 方法可以幫助彌合現(xiàn)有的分辨率差距。第一作者、研究助理教授 Sean Foxley 博士說：“有很多成像研究，人們使用 MRI 查看整個大腦水平，然后嘗試使用 EM 驗證這些結(jié)果，但分辨率存在不連續(xù)性。”在芝加哥大學。“當你查看 EM 數(shù)據(jù)集時，很難說你用 MRI 看到的大量組織，而 X 射線可以彌合這一差距。現(xiàn)在我們終于有了可以讓我們看到所有層面的東西無縫的分辨率。”
結(jié)合他們在 MRI 和 EM 方面的專業(yè)知識，F(xiàn)oxley、Kasthuri 和他們團隊的其他成員選擇嘗試使用這三種方法繪制單個小鼠的大腦。“我們?yōu)槭裁催x擇小鼠大腦?因為它適合顯微鏡，”Kasthuri 笑著說。“而且，老鼠是神經(jīng)科學的主力;它們對于分析大腦中的不同實驗條件非常有用。”
在收集和保存組織后，該團隊將樣本放入 MRI 掃描儀中，以收集整個大腦的結(jié)構(gòu)圖像。接下來，它被放置在美國能源部科學用戶設(shè)施辦公室高級光子源的 μCT 掃描儀的旋轉(zhuǎn)臺上，以收集 CT 數(shù)據(jù)，然后在腦干和小腦中識別出特定的感興趣區(qū)域以用于 EM。
經(jīng)過數(shù)月的數(shù)據(jù)處理和圖像追蹤，研究人員確定他們能夠使用 MRI 上識別的結(jié)構(gòu)標記來定位指定大腦區(qū)域中的特定神經(jīng)元亞群，并且他們可以追蹤單個細胞體的大小和形狀。他們還可以在單??個神經(jīng)元穿過大腦時追蹤它們的軸突，并且可以將來自 μCT 圖像的信息與他們在突觸水平上看到的 EM 連接起來。
該團隊表示，這種方法不僅有助于以 μCT 分辨率對大腦進行成像，還有助于為 MRI 和 EM 成像提供信息。
“用 EM 對大腦的 1 毫米立方體進行成像，這大約相當于 MRI 圖像的最小分辨率，會產(chǎn)生近 100 萬 GB 的數(shù)據(jù)，”Kasthuri 說。“這只是看一個 1 毫米的立方體!我不知道下一個或下一個立方體中發(fā)生了什么，所以我真的沒有關(guān)于我在 EM 中看到的內(nèi)容的背景。MRI 可以提供一些背景信息除了規(guī)模太大而無法橋接。現(xiàn)在這個 μCT 為我們的 EM 工作提供了所需的背景。”
另一方面，F(xiàn)oxley 對這種方法如何有助于通過 MRI 了解活體大腦感到興奮。“當存在疾病或損傷時，這項技術(shù)為我們提供了一種非常清晰的方法來識別大腦微觀結(jié)構(gòu)的變化，”他說。“所以現(xiàn)在我們可以開始用 μCT 尋找生物標志物，然后我們可以追溯到我們在活體大腦的 MRI 上看到的東西。X 射線讓我們可以在細胞水平上觀察事物，然后我們可以問，是什么在細胞水平上發(fā)生了變化，從而在宏觀水平上產(chǎn)生了 MRI 信號的全局變化?”
研究人員已經(jīng)在使用這項技術(shù)開始探索神經(jīng)科學中的重要問題，觀察經(jīng)過基因工程改造后患阿爾茨海默病的小鼠的大腦，看看它們是否可以追蹤 A? 用 μCT 觀察到的斑塊在 MRI 掃描中可測量到的變化，尤其是在疾病的早期階段。
重要的是，由于這項工作是在國家實驗室完成的，這項資源將對世界各地的其他科學家開放并免費訪問，使研究人員可以開始提出和回答跨越整個大腦并深入到突觸水平的問題.
然而，目前，芝加哥大學團隊最感興趣的是繼續(xù)改進這項技術(shù)。“下一步是制作整個靈長類動物的大腦，”卡斯圖里說。“老鼠的大腦是可能的，并且對病理模型很有用。但我真正想做的是讓整個靈長類動物的大腦成像到每個神經(jīng)元和每個突觸連接的水平。一旦我們做到了，我想做一個整個人類大腦。”
