芝加哥大学和美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的研究人员利用现有的先进 X 射线显微镜技术弥合了 MRI(磁共振成像)和电子显微镜成像之间的差距,为多尺度整体提供了可行的管道同一大脑内的大脑成像。概念验证演示涉及以五个数量级的分辨率对整个小鼠大脑进行成像,研究人员表示,这一步骤将更好地连接现有的成像方法并揭示有关大脑结构的新细节。

使用先进的 X 射线技术,研究人员首次对整个小鼠大脑进行成像

这一进展于 6 月 9 日发表在NeuroImage 上,将使科学家能够在微观和宏观层面连接生物标志物,提高 MRI 成像的分辨率并为电子显微镜提供更大的背景。

使用先进的 X 射线技术,研究人员首次对整个小鼠大脑进行成像

通过使用 MRI、μCT 和 EM 的成像管道,Foxley、Kasthuri 和他们的团队能够同时解析大脑结构,如白质,在 (a) 宏观、(b) 中观和 (c)同一大脑中的微观尺度。


我们的实验室非常有兴趣在多个尺度上绘制大脑图,以获得对大脑外观的公正描述,资深作者、芝加哥大学神经生物学助理教授、阿贡神经科学研究员 Narayanan “Bobby” Kasthuri 医学博士说,当我加入这里的教职员工时,我学到的第一件事就是阿贡拥有这种极其强大的 X 射线显微镜,但它还没有用于大脑映射,所以我们决定尝试一下。


显微镜使用一种称为基于同步加速器的 X 射线断层扫描的成像,它可以被比作“微型 CT”,或微型计算机断层扫描。得益于阿贡同步加速器粒子加速器产生的强大 X 射线,研究人员能够以一微米(1/10,000 厘米)的分辨率对整个小鼠大脑(大约一立方厘米)进行成像。收集整个大脑的图像大约需要六个小时,总计大约 2 TB 的数据。这是在这种分辨率水平下进行全脑成像的最快方法之一。


MRI 可以快速成像整个大脑以追踪神经元束,但分辨率不足以观察单个神经元或其连接。另一方面,电子显微镜 (EM) 可以揭示单个突触的细节,但会产生大量数据,这使得观察体积大于几微米的脑组织碎片在计算上具有挑战性。现有的以微米分辨率研究神经解剖学的技术通常只是二维的,或者使用与 MRI 或 EM 成像不兼容的协议,因此无法使用相同的脑组织进行所有尺度的成像。


研究人员很快意识到他们的新微 CT 或 μCT 方法可以帮助弥合现有的分辨率差距。第一作者、研究助理教授 Sean Foxley 博士说,有很多成像研究,人们使用 MRI 查看整个大脑水平,然后尝试使用 EM 验证这些结果,但分辨率存在不连续性。在芝加哥大学,当你查看 EM 数据集时,很难说你用 MRI 看到的大量组织,而 X 射线可以弥合这一差距。现在我们终于有了可以让我们看到所有层面的东西无缝的分辨率。


结合他们在 MRI 和 EM 方面的专业知识,Foxley、Kasthuri 和他们团队的其他成员选择尝试使用这三种方法绘制单个小鼠大脑图。我们为什么选择小鼠大脑?因为它适合显微镜,Kasthuri 笑着说,而且,老鼠是神经科学的主力;它们对于分析大脑中的不同实验条件非常有用。


在收集和保存组织后,该团队将样本放入 MRI 扫描仪中,以收集整个大脑的结构图像。接下来,它被放置在美国能源部科学用户设施办公室高级光子源的 μCT 扫描仪的旋转台上,以收集 CT 数据,然后在脑干和小脑中识别出特定的感兴趣区域以用于 EM。


经过数月的数据处理和图像追踪,研究人员确定他们能够使用 MRI 上识别的结构标记来定位指定大脑区域中的特定神经元亚群,并且他们可以追踪单个细胞体的大小和形状。他们还可以在单个神经元穿过大脑时追踪它们的轴突,并将来自 μCT 图像的信息与他们在突触水平上看到的 EM 连接起来。


该团队表示,这种方法不仅有助于以 μCT 分辨率对大脑进行成像,还有助于为 MRI 和 EM 成像提供信息。


用 EM 对大脑的 1 毫米立方体进行成像,这大约相当于 MRI 图像的最低分辨率,会产生近 100 万 GB 的数据,Kasthuri 说,这只是看一个 1 毫米的立方体!我不知道下一个或下一个立方体中发生了什么,所以我真的没有关于我在 EM 中看到的内容的背景。MRI 可以提供一些背景信息除了规模太大而无法桥接。现在这个 μCT 为我们的 EM 工作提供了所需的背景。


另一方面,Foxley 对这种方法如何有助于通过 MRI 了解活体大脑感到兴奋。当存在疾病或损伤时,这项技术为我们提供了一种非常清晰的方法来识别大脑微观结构的变化,他说,所以现在我们可以开始用 μCT 寻找生物标志物,然后我们可以追溯到我们在活体大脑的 MRI 上看到的东西。X 射线让我们可以在细胞水平上观察事物,然后我们可以问,是什么在细胞水平上发生了变化,从而在宏观水平上产生了 MRI 信号的全局变化?


研究人员已经在使用这项技术开始探索神经科学中的重要问题,观察经过基因工程改造后患阿尔茨海默病的小鼠的大脑,看看它们是否可以追踪 A? 用 μCT 观察到的斑块在 MRI 扫描中可测量到的变化,尤其是在疾病的早期阶段。


重要的是,由于这项工作是在国家实验室完成的,这项资源将对世界各地的其他科学家开放并免费访问,使研究人员可以开始提出和回答跨越整个大脑并深入到突触水平的问题.


然而,目前,芝加哥大学团队最感兴趣的是继续改进这项技术。下一步是制作整个灵长类动物的大脑,卡斯图里说,老鼠的大脑是可能的,对病理模型很有用。但我真正想做的是让整个灵长类动物的大脑成像到每个神经元和每个突触连接的水平。一旦我们做到了,我想做一个整个人类大脑。


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