在全脑范围同时获取多种结构的高分辨图谱,对于剖析脑功能及阿尔茨海默症(AD)等神经系统疾病的发病机制具有重要意义。当前,已有的成像技术和方法在实现大尺度、高分辨率的多种脑结构元素同步成像方面,面临挑战。

  近日,中国科学院上海药物研究所MOST与图像融合技术服务部在Frontiers in Neuroscience上,发表了题为High-Resolution Digital Panorama of Multiple Structures in Whole Brain of Alzheimer's Disease Mice的研究论文。该研究基于显微光学切片断层成像(Micro-Optical Sectioning Tomography,MOST)系统获得的全脑Nissl染色数据集,设计了针对相邻灰度区间内多种结构元素的信息提取及重建策略,首次实现了基于Nissl染色的小鼠全脑Aβ斑块分布可视化,在同一小鼠全脑中构建了Aβ斑块及其周围胞体、神经树突、神经束和血管的高精度全景图(图1)。该成果为阐释AD相关病理状态下的大脑解剖结构特征提供了新思路。

  新兴的全脑成像技术(如光片照明显微镜、STP等)结合快速发展的荧光标记技术,能够实现对全脑范围荧光标记的单一结构乃至两到三个结构的同时成像。然而,由于荧光团的光谱重叠和荧光发射的交叉,无法对具有三种或三种以上荧光标记的样本进行同时成像。Aβ斑块沉积是AD的主要病理特征之一。Aβ斑块周围存在神经元、神经胶质、神经纤维以及血管等多种脑结构,这些脑结构相关的淀粉样血管病变、白质病变、脑室扩大和脑萎缩等多种病理损伤常见于AD患者的临床影像中。Aβ斑块相关的轴突营养不良、树突棘丢失和突触改变、星形胶质细胞足板从血管内皮壁分离、胶质细胞招募和激活以及神经元死亡等研究结果已被证实。因此,深入考察Aβ斑块与其周围多种脑结构的相互作用,对探索AD的病理机制和进展具有重要意义。目前,已有多种成像手段揭示了Aβ斑块的结构和分布特征,也有多通道荧光标记等方法观察到Aβ斑块对脑结构的影响,但缺乏在全脑范围内针对Aβ斑块及其周围环境三维构筑的高精度、跨尺度研究。

  研究发现,基于不同结构在灰度和形态学上的差异,MOST结合全脑Nissl染色方法可以同时提供全脑多结构元素的多重信号。然而,MOST系统产生的高通量明场图像数据富含高内涵信息,且胞体和血管等结构形态复杂、分布广泛;明场图像与荧光图像相比,背景也更复杂、对比度更差;TB级别数据量对数据存储、读取和处理造成的困难等,均在一定程度上限制了MOST技术在明场成像方面的拓展。为此,科研团队开发了一种基于灰度值差异和形态学特征的多结构提取及重建的可视化方法,并据此开展多种结构的高精度跨尺度的全脑构筑研究。

  研究显示,全脑Aβ斑块密度最大区域及大尺寸斑块分布最密集区域均为内嗅皮层和邻近的海马腹侧下托区域,这提示Aβ病理可能最早出现在这些最密集的区域(图2)。在全脑范围,Aβ斑块分布较密集的区域通常具有相对较多的胞体且处于血管远端,而神经纤维束在Aβ斑块相对稀疏的区域较为密集。在局部脑区,皮层区域可视化和定量分析均显示Aβ斑块密集区靠近胞体丰富的深部区域,而海马内的Aβ斑块成层状分布在锥体细胞层和颗粒细胞层附近。在亚微米分辨水平上,海马辐射层内Aβ斑块周围的神经树突显示出明显的弯曲或截断,海马下托的毛细血管穿过斑块内部或附近,也呈现一定程度截断或变形,且表面粗糙度高(图3)。该研究在全脑尺度对Aβ斑块及其周围多种精细结构的解读,有助于系统性考察AD等神经系统疾病的病理损伤。针对同一样本的多种结构信息的准确提取和精确重建,获取多结构信号的全局景观,有助于全面精细解读脑组织结构及其功能,为脑疾病相关病理机制探究注入新动力。

  本研究发展的同步可视化方法,不仅适用于小鼠正常及病理情况下的全脑多种结构同步分析,而且适合于小鼠的其他组织器官乃至其他更大空间尺度的大鼠、猴以及人类的组织样本MOST数据集的研究分析。

  研究工作得到国家杰出青年科学基金、临港实验室专项、中科院青年创新促进会、上海市市级科技重大专项、上海市“超级博士后”激励计划以及中国博士后科学基金等的支持。

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图1.全脑Aβ斑块及其与多种脑结构的同步可视化。A-F、6月龄5×FAD小鼠多种脑结构信号的全脑可视化:A、胞体、血管、神经束和斑块;B、胞体、神经束和斑块;C、胞体、血管和斑块;D、胞体和斑块;E、神经束和斑块;F、血管和斑块。

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图2.全脑三维可视化展示Aβ斑块的解剖分布。A、6月龄5×FAD小鼠全脑Aβ斑块分布的三维侧面视图;B、斑块密度分布的三维热图,斑块密度采用颜色尺度编码,深蓝为最低密度;C、不同直径的斑块数量的统计分析,X轴上的颜色按斑块直径编码,根据不同直径范围显示。

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图3.Aβ斑块周围神经树突结构异常与血管损伤。A-C、海马辐射层的代表性高分辨图像显示典型Aβ斑块及其周围的神经树突;D-F、局部展示斑块和血管的相互作用。

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