基于全脑高分辨成像的神经元形态分析研究

摘要

大脑是人类最为复杂的器官，其结构组成和活动机理存在着无数的谜团。大脑在神经活动中的信息处理过程主要是基于神经环路，即一些神经元为实现特定功能互联而成的网络结构。神经元作为大脑的基本结构单位，同时也是构成神经环路的基本单元，结构和功能的高度相关性说明神经元形态的研究对脑功能的认知具有非常重大的意义。 神经元形态的分析已经在精神疾病的诊断、神经系统发育以及类脑模拟等领域发挥了关键性的作用。然而过去在脑连接研究领域，受限于标记和成像技术，无法快速且可靠地在大范围内（跨脑区）获取完整神经元的精细形态（微米甚至亚微米级别）。本实验室研发的一系列高分辨成像技术，从（荧光）显微光学断层成像系统到精准成像系统，能够在突起水平观察从局部神经连接到长程神经连接再到全脑神经环路的形态结构。它们不仅是神经元形态获取的重要全新技术，也是开展单神经元水平下神经环路图谱构建的核心平台。 本文基于以上高分辨成像技术获得的数据，以神经元的形态学分析为主轴，以解决神经连接结构和神经疾病领域的科学问题为导向，完成了以下工作内容： （1）构建了适用于全脑高分辨成像技术的形态学分析方法框架。流程包括：用Amira完成神经元的交互式追踪、用LDA格式转换来适应TB级的图像数据浏览以及用Neurolucida Explorer实现神经元形态参数的获取。特别地，本文在重建完成后加入了标准化过程以解决追踪过程中产生的冗余分支和断裂片段的问题，保证了后续分析过程的格式一致性和准确性。 （2）针对桶状皮层的皮层下投射尚未获得单轴突水平的完整解析这一问题，重建并分析了Thy1-GFP转基因标记的小鼠L5/6层107个离皮质投射神经元的形态。在基于树突特征对其进行区分之后，获得了每类神经元的皮层下投射总体分布，发现特定的投射脑区与神经元的顶树突形态存在着显著的关联。进一步地，根据每个神经元的皮层下投射特点定义其投射模式，并特别对具有多方向投射的神经元统计了投射模式的分布情况，发现丘脑和中脑是多向投射的最主要区域。此外，对比了单方向和多方向投射神经元在突起复杂度上的差异，发现后者在顶树突的平均分支长度上要大于前者。上述结论可以给桶状皮层的皮层下连接与功能研究提供崭新并更加精细的视角。 （3）针对在阿尔兹海默症（AD）中树突复杂度降低这一树突畸变症状，本文对APP/PS1模型小鼠脑内杏仁核基底外侧核中的投射神经元群体进行了形态分析。观察到：AD小鼠在距胞体中心40-90μm范围内树突分布密度较对照组明显降低；在6月龄时并未发现树突分支数和总长度相比对照组有显著变化；在9月龄时树突分支数较对照组明显减少，树突总长度则继续保持稳定。结合上述结果可认为，该区域投射神经元的树突复杂度在阿尔兹海默症病程初期呈现为渐进性地降低。上述发现将推动认识阿尔兹海默症中树突畸变的发生过程及其与Aβ等致病因子间的内在关联。 总而言之，本文在全脑高分辨成像技术和配套的神经元形态分析框架下，完成的分析结果可以为神经网络连接结构和神经性疾病的生物指征提供有益的启示和参考。

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