小鼠全脑三维精细血管图谱构建及定量分析

摘要

精细而完整的动脉和静脉血管系统是理解脑功能和病理的基础。小鼠是最常用的哺乳类模式动物，广泛用于脑血管疾病及药效评价等研究。但是，已有小鼠全脑血管系统的研究仅获取了大动脉的分布，不仅缺少对静脉血管的分布的了解，更缺乏对全脑范围内血管系统的定量研究。近年来，随着生物学标记技术和成像技术的发展，使得获取小鼠全脑血管高分辨数据集成为现实，为精细而完整的小鼠全脑血管系统的构建和定量研究提供了数据基础。然而，高分辨的全脑血管数据对血管系统的重建、动静脉的区分、血管的准确定位和血管定量分析都带来了巨大的挑战，传统的血管系统构建及定量分析方案面临无法适用于全脑大范围内不同尺度的血管的问题。 基于尼氏（Nissl）染色小鼠全脑血管高分辨数据集，本文提出了血管系统构建的完整解决方案。首先，结合阈值、形态学操作、区域增长及体素收集的方法，对小鼠皮层表面大血管及与之连通的脑内血管分支进行了半自动重建（直径最精细约8μm），并结合骨架化和射线爆发算法对毛细血管网络进行全自动重建，为全脑范围内不同尺度的血管重建提供了方案；其次，本文实现了基于现有知识对脑表面动脉和静脉血管识别，并同时基于连通关系对脑内血管的动静脉区分；最后，本文利用Nissl染色细胞构筑信息提供的脑区，实现了对小鼠脑血管系统的准确定位，并采用“方位-脑区-动静脉”的主要命名方法，对动脉和静脉血管进行了统一命名。 利用体素5μm分辨率的小鼠全脑血管数据，完成了对五个小鼠全脑内的动静脉血管重建、分类、定位和命名，构建了目前世界上最精细的、完整的、同时包含动脉和静脉的小鼠全脑三维血管立体定位图谱。相比于现有小鼠脑血管图谱中重建的动脉血管的最小直径约20μm，本文获取的动脉和静脉血管的末端分支均精细到8-9μm。本文将传统只有初级静脉血管的认识，全新细化为3级分布的精细结构。定性对比的结果表明，大多数静脉的分布特征和走向趋势与动脉不一致。 借助亚微米分辨的小鼠脑血管数据，定量地分析了血管密度分布及血管与脑区之间的关系。对五个小鼠脑内三级分布的每一根动脉和静脉的不同管径下的血管分支数量进行了统计，结果显示：不同个体及左右脑之间的血管分支数一致，但末端分支处存在差异；桶状皮层、上丘、海马、丘脑和下丘五个脑区的血管密度分布结果表明：不同脑区内血管复杂度的差异主要表现在直径小于8μm和大于20μm的血管。动脉和静脉血管与不同脑区之间的连通性结果表明：动脉和静脉血管中只有Ach和Achv与脑区的连通关系结果较一致；动脉和静脉血管对脑组织的灌注分布模拟结果表明：动静脉血管的灌注区域均与脑区边界不一致。 总之，基于本文建立的适用于Nissl染色小鼠全脑范围的动静脉血管重建、分类、定位和定量分析的完整方案，构建了一套精细、准确定位并统一标注的小鼠全脑血管图谱，并获取了定量化的血管统计结果。血管系统的构建和定量分析方案将来可望用于灵长类及人脑血管的研究。建立的小鼠脑血管立体定位图谱和全面系统地对血管空间特征进行的定量统计研究的结果，将为脑功能和脑疾病的研究提供重要的基础性资源。

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