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Frontiers in Neuroscience:構(gòu)建出阿爾茨海默癥模型小鼠全腦Aβ斑塊及其周圍多種結(jié)構(gòu)的高精度全景圖

在全腦范圍同時(shí)獲取多種結(jié)構(gòu)的高分辨圖譜，對(duì)于剖析腦功能及阿爾茨海默癥（AD）等神經(jīng)系統(tǒng)**的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。當(dāng)前，已有的成像技術(shù)和方法在實(shí)現(xiàn)大尺度、高分辨率的多種腦結(jié)構(gòu)元素同步成像方面，面臨挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海**研究所MOST與圖像融合技術(shù)服務(wù)部在Frontiers in Neuroscience上，發(fā)表了題為High-Resolution Digital Panorama of Multiple Structures in Whole Brain of Alzheimer's Disease Mice的研究論文。該研究基于顯微光學(xué)切片斷層成像（Micro-Optical Sectioning Tomography，MOST）系統(tǒng)獲得的全腦Nissl染色數(shù)據(jù)集，設(shè)計(jì)了針對(duì)相鄰灰度區(qū)間內(nèi)多種結(jié)構(gòu)元素的信息提取及重建策略，**實(shí)現(xiàn)了基于Nissl染色的小鼠全腦Aβ斑塊分布可視化，在同一小鼠全腦中構(gòu)建了Aβ斑塊及其周圍胞體、神經(jīng)樹突、神經(jīng)束和血管的高精度全景圖（圖1）。該成果為闡釋AD相關(guān)病理狀態(tài)下的大腦解剖結(jié)構(gòu)特征提供了新思路。

新興的全腦成像技術(shù)（如光片照明顯微鏡、STP等）結(jié)合快速發(fā)展的熒光標(biāo)記技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全腦范圍熒光標(biāo)記的單一結(jié)構(gòu)乃至兩到三個(gè)結(jié)構(gòu)的同時(shí)成像。然而，由于熒光團(tuán)的光譜重疊和熒光發(fā)射的交叉，無(wú)法對(duì)具有三種或三種以上熒光標(biāo)記的樣本進(jìn)行同時(shí)成像。Aβ斑塊沉積是AD的主要病理特征之一。Aβ斑塊周圍存在神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)、神經(jīng)纖維以及血管等多種腦結(jié)構(gòu)，這些腦結(jié)構(gòu)相關(guān)的淀粉樣血管病變、白質(zhì)病變、腦室擴(kuò)大和腦萎縮等多種病理?yè)p傷常見于AD患者的臨床影像中。Aβ斑塊相關(guān)的軸突營(yíng)養(yǎng)**、樹突棘丟失和突觸改變、星形膠質(zhì)細(xì)胞足板從血管內(nèi)皮壁分離、膠質(zhì)細(xì)胞招募和激活以及神經(jīng)元死亡等研究結(jié)果已被證實(shí)。因此，深入考察Aβ斑塊與其周圍多種腦結(jié)構(gòu)的相互作用，對(duì)探索AD的病理機(jī)制和進(jìn)展具有重要意義。目前，已有多種成像手段揭示了Aβ斑塊的結(jié)構(gòu)和分布特征，也有多通道熒光標(biāo)記等方法觀察到Aβ斑塊對(duì)腦結(jié)構(gòu)的影響，但缺乏在全腦范圍內(nèi)針對(duì)Aβ斑塊及其周圍環(huán)境三維構(gòu)筑的高精度、跨尺度研究。

研究發(fā)現(xiàn)，基于不同結(jié)構(gòu)在灰度和形態(tài)學(xué)上的差異，MOST結(jié)合全腦Nissl染色方法可以同時(shí)提供全腦多結(jié)構(gòu)元素的多重信號(hào)。然而，MOST系統(tǒng)產(chǎn)生的高通量明場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)富含高內(nèi)涵信息，且胞體和血管等結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜、分布廣泛；明場(chǎng)圖像與熒光圖像相比，背景也更復(fù)雜、對(duì)比度更差；TB級(jí)別數(shù)據(jù)量對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取和處理造成的困難等，均在一定程度上限制了MOST技術(shù)在明場(chǎng)成像方面的拓展。為此，科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于灰度值差異和形態(tài)學(xué)特征的多結(jié)構(gòu)提取及重建的可視化方法，并據(jù)此開展多種結(jié)構(gòu)的高精度跨尺度的全腦構(gòu)筑研究。

研究顯示，全腦Aβ斑塊密度*大區(qū)域及大尺寸斑塊分布*密集區(qū)域均為內(nèi)嗅皮層和鄰近的海馬腹側(cè)下托區(qū)域，這提示Aβ病理可能*早出現(xiàn)在這些*密集的區(qū)域（圖2）。在全腦范圍，Aβ斑塊分布較密集的區(qū)域通常具有相對(duì)較多的胞體且處于血管遠(yuǎn)端，而神經(jīng)纖維束在Aβ斑塊相對(duì)稀疏的區(qū)域較為密集。在局部腦區(qū)，皮層區(qū)域可視化和定量分析均顯示Aβ斑塊密集區(qū)靠近胞體豐富的深部區(qū)域，而海馬內(nèi)的Aβ斑塊成層狀分布在??體細(xì)胞層和顆粒細(xì)胞層附近。在亞微米分辨水平上，海馬輻射層內(nèi)Aβ斑塊周圍的神經(jīng)樹突顯示出明顯的彎曲或截?cái)啵ｑR下托的****穿過(guò)斑塊內(nèi)部或附近，也呈現(xiàn)一定程度截?cái)嗷蜃冃危冶砻娲植诙雀撸▓D3）。該研究在全腦尺度對(duì)Aβ斑塊及其周圍多種精細(xì)結(jié)構(gòu)的解讀，有助于系統(tǒng)性考察AD等神經(jīng)系統(tǒng)**的病理?yè)p傷。針對(duì)同一樣本的多種結(jié)構(gòu)信息的準(zhǔn)確提取和**重建，獲取多結(jié)構(gòu)信號(hào)的全局景觀，有助于**精細(xì)解讀腦組織結(jié)構(gòu)及其功能，為腦**相關(guān)病理機(jī)制探究注入新動(dòng)力。

本研究發(fā)展的同步可視化方法，不僅適用于小鼠正常及病理情況下的全腦多種結(jié)構(gòu)同步分析，而且適合于小鼠的其他組織器官乃至其他更大空間尺度的大鼠、猴以及人類的組織樣本MOST數(shù)據(jù)集的研究分析。

研究工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、臨港實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)、中科院青年**促進(jìn)會(huì)、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)、上海市“超級(jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃以及中國(guó)博士后科學(xué)基金等的支持。

圖1.全腦Aβ斑塊及其與多種腦結(jié)構(gòu)的同步可視化。A-F、6月齡5×FAD小鼠多種腦結(jié)構(gòu)信號(hào)的全腦可視化：A、胞體、血管、神經(jīng)束和斑塊；B、胞體、神經(jīng)束和斑塊；C、胞體、血管和斑塊；D、胞體和斑塊；E、神經(jīng)束和斑塊；F、血管和斑塊。

圖2.全腦三維可視化展示Aβ斑塊的解剖分布。A、6月齡5×FAD小鼠全腦Aβ斑塊分布的三維側(cè)面視圖；B、斑塊密度分布的三維熱圖，斑塊密度采用顏色尺度編碼，深藍(lán)為*低密度；C、不同直徑的斑塊數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析，X軸上的顏色按斑塊直徑編碼，根據(jù)不同直徑范圍顯示。

圖3.Aβ斑塊周圍神經(jīng)樹突結(jié)構(gòu)異常與血管損傷。A-C、海馬輻射層的代表性高分辨圖像顯示典型Aβ斑塊及其周圍的神經(jīng)樹突；D-F、局部展示斑塊和血管的相互作用。

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