应用AMIRA软件探讨海马CA1区轴棘突触树突棘与突触后致密斑的相关性

摘要

Amira是一款三维数据成像、分析和模型制作的软件。它可以使来自于医学、生物学、生物化学、显微镜学、生物医学以及生物工程学等不同领域的科学数据集成像，使其三维数据可以得到快速的检测、分析、对比以及定量。Amira在生命科学中的成像和模化领域中成像和数据分析能力，使它逐渐成为生命科学领域研究的一个重要的工具，为生命科学和生物医学数据提供更好的可视、操作以及理解的平台。
　　 研究表明，海马CA1区与空间学习记忆密切相关。在海马CA1区轴棘突触树突上分布着很多功能性棘状突起结构，称之为树突棘，其形态处于不断的变化中，会受到很多因素的影响，树突棘形态的变化与突触结构为了适应外界环境变化而发生的改变是保持一致的，因此树突棘形态的改变是神经系统中突触可塑性的影响因素的一个重要方面，它与大脑的学习记忆功能和某些神经病学和精神病学疾病也密切相关。树突棘头部存在着高电子密度结构，我们称之为突触后致密斑，它是多种蛋白质组成的复合物，它的功能涉及到很多方面，譬如调节细胞的粘附性，控制受体的聚集，受体功能的调节，尤其是诱导突触强度的长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)的信号因子的定位，这个过程被认为是学习记忆形成的基础。突触后致密斑内存在很多种信号蛋白，它们可以通过交叉通路进而调节突触可塑性以及树突棘的形状。突触后致密斑的许多蛋白质还与神经病学和精神病学的疾病相关。研究表明树突棘和突触后致密斑均会影响突触可塑性，而且它们的空间位置也是非常接近。因此学者们认为，二者之间存在着某些相关的联系来保证突触效能的稳定，近来的研究已经证明树突棘头和突触后致密斑的面积和体积呈正相关。
　　 兴奋性突触根据突触后致密斑是否完整可以分为穿孔型突触和非穿孔型突触。经过对穿孔型突触的多方面的研究，目前大多数学者认为穿孔型突触在突触的发育过程和可塑性过程中具有重要的意义。许多病理条件下，穿孔型突触在全部突触的比例会发生改变。
　　 脆性X综合征（FRX，fragileXchromosomesyndrome）是一种常见的低外显的X连锁显性遗传性智力发育迟缓疾。其发病机制主要原因是FMR-1基因5'末端CGG重复序列异常扩增从而导致其编码蛋白FMRP的表达缺乏。FMR-1基因敲除小鼠是一种FRX小鼠模型，其具有很多FRX患者的特征。FMR-1基因敲除小鼠存在着空间学习记忆障碍，暗示海马椎体细胞的轴棘突触以及树突棘很可能存在着形态异常。
　　 国内外学者已经应用amira对肝脏、基底核等结构进行重建，展现了其完整的三维结构。但是在超微结构领域的应用较少。
　　 目的:
　　 本实验通过amira软件对正常小鼠以及FMR-1基因敲除小鼠海马CA1区轴棘突触的树突棘和突触后致密斑进行三维重建，观察二者的三维形态结构，对重建后树突棘头与突触后致密斑的体积进行测量，验证树突棘头与突触后致密斑的关系以及FMR-1基因敲除鼠树突棘和突触后致密斑的变化。测出正常小鼠和FMR-1基因敲除鼠的穿孔型突触在总突触中所占的比例。为amira今后在临床医学的立体诊断中的应用提供可靠的实验依据。
　　 方法:
　　 应用超薄连续切片技术对在透射电镜下制备的正常小鼠（对照组）以及FMR-1基因敲除小鼠（实验组）脑组织进行连续切片并照相得到若干组连续电镜图像。我们运用photoshop，ImageJ，amira，SPSS13.0等软件对其进行相关的图像处理，图像分析以及相关的数据处理得出结果。
　　 结果:
　　 1.应用amira软件的三维重建功能得到正常小鼠和FMR-1基因敲除鼠的树突棘和突触后致密斑的三维结构图。
　　 2.从三维结构图辨识非穿孔型突触和穿孔型突触。对照组选取的48组突触中，其中有5组属于穿孔型突触，占了总数的10.4％。实验组中有14组属于穿孔型突触，占总数的29.2％，实验组高于对照组(x2=5.315，P＜0.05)。
　　 3.正常小鼠和FMR-1基因敲除鼠的树突棘头和突触后致密斑的体积均符合正态分布;正常小鼠树突棘头平均体积为700164.21±115532.87，突触后致密斑的平均体积为69286.90±11446.60，二者的体积呈正相关，相关系数为0.994。两者的直线回归系数为10.055±0.261;FMR-1基因敲除鼠树突棘头平均体积为843540.44±56256.998，突触后致密斑的平均体积为68353.98±4682.047。二者的体积呈正相关，相关系数为0.959。二者的直线回归系数为11.524±1.010。FMR-1基因敲除鼠的树突棘头与正常小鼠的相比增大，PSD无明显变化，因此FMR-1基因敲除鼠的树突棘头与PSD的体积比增大。
　　 结论:
　　 1.应用Amira软件可以得到树突棘和突触后致密斑的三维构象，能够清晰辨认树突棘和突触后致密斑的形态结构，并且对重建的三维结构进行360度的旋转，从多角度对二者进行全面观察。
　　 2.经过amira的软件分析可以准确的显示正常小鼠和FMR-1基因敲除鼠的树突棘头及其突触后致密斑的体积呈正相关，FMR-1基因敲除鼠的树突棘头的体积大于正常小鼠的树突棘头的体积，并且FMR-1基因敲除鼠中穿孔型突触的比例明显高于正常小鼠。
　　 3.Amira软件可以为今后临床医学的立体诊断提供实验依据。

目录

声明

摘要

前言

材料与方法

1 实验动物

2 实验步骤

3 实验主要仪器和试剂

结果

1 树突棘和突触后致密斑的三维结构

2 穿孔型突触与非穿孔型突触的三维结构

3 正常小鼠及FMR-1基因敲除鼠树突棘头与突触后致密斑的体积

4 对实验组与对照组数据的统计分析

附图

附表

讨论

1 Amira和三维重建

2 Amira对正常小鼠海马CA1区轴棘突触树突棘和突触后致密斑的相关性研究

3 Amira对FMR-1基因敲除鼠的海马CA1区轴棘突触树突棘和突触后致密斑的相关性研究

4 Amira对穿孔型突触的识别

结论

参考文献

综述

致谢

个人简历