用于绘制高分辨小鼠全脑图谱的断层成像系统研究

摘要

科技发展日新月异，但大脑仍然是最大的未解之谜。结构决定功能，脑的基本功能都依赖于神经元的聚集体或神经网络，这些精细的脑解剖结构是理解脑功能和脑疾病的基础。为了观察全脑神经网络，至少需要在厘米大小范围内具备1 m的三维空间分辨能力，但经典的磁共振、电镜等成像技术均不能解决大样本和高分辨的矛盾。因为缺少合适的研究方法，人们对哺乳动物完整脑的神经元网络结构、连接关系的认识还非常匮乏。本文系统地论述了一种探测大尺寸样本精细三维结构的方法、技术和仪器，并将其应用于小鼠全脑高分辨结构图谱研究。
　　 针对经典成像方法在介观水平的研究空白，本文建立了可对数厘米大小样本进行亚微米水平精细结构三维成像的方法和技术。在采用“切片和成像同时进行”的基础上，重点解决了三个关键问题：通过落射荧光成像方法来实现吸收成像，这种设计不仅提高了成像的对比度和分辨率，还简化了成像系统的调节，并使切削工具的特殊设计成为可能；设计了简单有效的刀具和安装方式，可执行长时间高质量的切削；设计了在同一平面内逐条切片的切削方式，使得样品条暴露在水中的时间均匀且较短，避免出现不均匀的结构变化。这些问题的解决，有效地避免了机械振动，解决了国际同行10 余年来尚未突破的关键技术问题。基于这些方法和技术，本文研制了一台显微光学切片断层成像系统（Micro-optical Sectioning Tomography，MOST），该系统能够连续稳定地获得1 m 厚的组织切片，实时地对切片实现0.71 m分辨率的扫描成像，并能准确地同步上述两个过程。通过上述技术方法的创新，MOST系统具备了连续自动快速获取数据、图像无需额外配准、稳定性高和精确性高的特点。
　　 应用MOST 系统，不间断地进行了242 小时数据采集，获取Golgi-Cox 染色的小鼠全脑显微结构图谱。平均获取速率达到0.001 mm3=s，总数据量为8220 GB，包括15,380 层像素分辨率为0.330.331 m3的冠状断面图像。对该数据集进行了数据预处理、初步三维重建和神经突起追踪研究，结果中无明显的数据失配现象，可与传统脑解剖学知识相对应。据检索，这是世界第一套来自同一只小鼠的突起水平的全脑显微结构图谱。
　　 本文获取的介观水平小鼠全脑神经解剖图谱，为数字化鼠脑结构和脑功能研究提供了重要的基础性实验数据集。MOST 系统有望用于构建不同脑疾病鼠全脑的图谱，及鼠全脑内血管微循环的精细结构网。结合荧光鼠脑样本技术的进展，可以高分辨地获得鼠脑功能连接图谱。MOST 系统还可以推广应用到对其他动植物样品（如昆虫、动物的胚胎、局部器官、植物等）以及工业材料等等进行高分辨率三维结构成像。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩写名称一览表

声明

1 绪论

2 显微光学切片断层成像（MOST）系统设计

3 MOST 反射式成像的实现及性能分析

4 MOST 连续稳定亚微米切片的实现

5 MOST 自动控制与高精度配准的实现及性能分析

6 基于MOST 系统的完整鼠脑数据集的获取

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间的主要成果和奖励