基于印度墨水灌注的小鼠全脑连续血管网络构建研究

摘要

脑血管作为大脑的能量物质运输通道，会伴随人的老化、中风、阿尔兹海默病等神经性疾病的发生而产生结构改变，对脑血管网络结构的获取是研究脑血流，进而研究脑代谢和脑功能的基础。受全脑血管标记和成像工具的限制，现有对脑血管结构的研究主要集中在全脑尺度的大尺寸血管成像或小范围血管微循环的光学显微成像或电镜观察。然而，脑血管中所有的大血管和微血管作为一个相互连通的整体共同完成脑内神经活动的能量供给，单独对大血管研究不能获取精细的血管分支和动静脉之间的毛细血管网络，单独对小范围毛细血管的研究不便于区分与之相连的大血管的种类和供血来源。为了能够系统定量的对脑内任意脑区实现从动脉，静脉和毛细血管及其连接网络的研究，本文采用明胶墨水填充脑血管的方法，应用显微光学切片断层成像系统实现了小鼠全脑动脉静脉及毛细血管的获取目标，并以丘脑为例研究其供血网络。
　　为了实现全脑血管的墨水标记，本文研究基于明胶墨水的小鼠全脑血管灌注技术。参照现有脑血管灌注流程，采用2％明胶10％印度墨水作为血管填充剂，通过引入0.8μm的尼龙过滤膜对灌注液进行过滤，降低主动脉灌注压到40-60mmHg，严格控制灌注过程中的温度和灌流速度等措施，避免了采用墨水实现脑血管灌注过程中出现的灌注不全和灌注中断等问题。本研究为全脑血管获取提供了一套采用明胶墨水实现小鼠全脑血管均匀填充的技术流程。
　　本文获取一只成年昆明小鼠的全脑血管明胶墨水填充样本，应用显微光学切片断层成像系统以0.35×0.4×2.0μm3的体素分辨率获取了全脑血管的三维体素数据集。冠状面投影重建显示鼠脑内全部脑区均有灌注且血管连续；全脑大血管投影重建结果表明鼠脑内的主要血管均被灌注且血管位置分布正常；小范围的血管重建可观察到微动脉，微静脉，及相互连接的毛细血管网络。抽样测量显示毛细血管的管径分布为4.6±1.2μm，与现有活体测量结果一致。本研究为小鼠全脑血管提供了一份可用的数据集。
　　本文选择右侧丘脑为特定对象，通过对丘脑的血管网络做矢量追踪，重建从椎动脉开始，经基底动脉，丘脑穿透动脉，进入丘脑，丘脑的血液从丘脑纹状体静脉经大脑静脉干，横窦排出的完整血管网络。对右侧丘脑内直径大于5μm的血管进行追踪和重建，再现丘脑内微动脉和微静脉的血管树状分叉结构。对从穿透动脉到丘脑纹状体静脉之间一根过毛细血管网的血管片段进行提取，追踪和管径定量分析，显示该血管片段管径范围2.6-61.6μm，且在分叉点前后的管径波动明显。且在穿透动脉入口和排出血管出口，部分毛细血管入口有血管管腔狭隘的现象出现，与已有的血管铸型结果一致。本研究为脑内任意脑区的血管网络研究提供了一套研究流程和软件工具。
　　本文提供的基于明胶墨水灌注，应用显微光学切片断层成像系统获取小鼠全脑动脉静脉和毛细血管的方法，为小型哺乳动物全脑的血管研究提供有利工具，便于全脑供血网络的结构分析，中风过程模拟，核磁功能成像中脑血流模型的建立和应用。

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1 绪论

1.1 可视化全脑血管网的意义

1.2 全脑血管网的可视化方法

1.3 本文的研究目标和主要内容

2 小鼠全脑血管墨水灌注关键技术研究

2.1 现有鼠脑血管灌注技术对比与分析

2.2 脑血管墨水灌注试剂选择

2.3 脑血管墨水灌注关键技术

2.4 脑血管墨水灌注结果判定与分析

2.5 本章小结

3 昆明小鼠全脑血管测量研究

3.1 昆明小鼠全脑血管墨水灌注样本制备

3.2 全脑血管数据集采集

3.3 脑血管的重建与可视化

3.4 本章小结

4 从动脉到静脉的连续血管追踪研究

4.1 大范围脑血管的矢量追踪

4.2 特定选择丘脑做供血追踪

4.3 跨毛细血管的连续血管网络追踪

4.4 本章小结

5 讨论、总结与展望

5.1 脑血管灌注技术的讨论

5.2 小鼠全脑血管数据集的讨论

5.3 脑内连续供血网络追踪的讨论

5.4 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 程序代码

附录2 攻读学位期间发表的论文目录