本文介绍了一种利用3D扫描技术连接两个空间尺度的实验方案:通过MRI成像获取的全脑解剖结构的宏观空间尺度(>100 μm),以及利用免疫组织化学染色、多电极阵列系统及其他方法获得的神经元分布的微观空间尺度(约10 μm)。
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本文介绍了一种利用3D扫描技术连接两个空间尺度的实验方案:通过MRI成像获取的全脑解剖结构的宏观空间尺度(>100 μm),以及利用免疫组织化学染色、多电极阵列系统及其他方法获得的神经元分布的微观空间尺度(约10 μm)。
人脑作为一个多尺度系统,既具有沿粗大的白质纤维束全局传播的宏观电信号,也具有沿轴突和树突传导的微观神经元放电活动。这两个尺度共同补充了人类认知与行为功能的不同方面。在宏观层面,磁共振成像(MRI)是目前标准的成像技术,其最小空间分辨率(即体素大小)为 0.1–1 mm3。而在微观层面,以往的生理学研究已注意到此类体素内部神经元结构的非均匀性。本研究开发了一种强有力的方法,通过将生物科学研究与三维扫描技术的最新进展相结合,精确地将微观数据嵌入到宏观图谱中。由于三维扫描技术迄今为止主要应用于工程与工业设计领域,本研究首次将其重新用于在保持活体脑细胞自然放电特性的同时,将微连接组嵌入全脑结构中。为实现这一目标,首先,我们建立了一套扫描方案,以从活体生物体中获取精确的三维图像——这类生物体因其湿润且反光的表面而固有地难以成像。其次,我们优化了扫描速度,以防止活体脑组织退化,这是维持组织良好状态并从脑组织中活跃神经元记录更自然神经放电的关键因素。分别来自两种不同成像模块(即 MRI 与三维扫描仪表面图像)独立提取的两个皮层表面图像,其距离误差的直方图众数仅为 50 μm。该精度在尺度上可与细胞间距离的微观分辨率相媲美,并且在不同个体小鼠之间具有良好的稳定性。这一新方案——三维新型嵌入重叠(3D-NEO)协议——通过该整合性流程弥合了宏观与微观尺度之间的鸿沟,加速了对全面连接结构(即微连接组)的科学研究进展。
在各种物理和生物组织中,普遍存在非均匀的多尺度结构1,2。大脑也是一种高度非均匀且具有多尺度特征的网络结构3,4。多种认知功能编码于此类网络结构之中,并以亚毫秒级的时间分辨率记录神经元群体电脉冲模式的动态变化。历史上, Santiago Ramón y Cajal 超过150年前使用的染色技术首次对神经元之间的复杂网络进行了详细的结构观察5。为了观测活跃神经元的群体行为,研究人员已开发出多种记录技术6,7,8,近年来这些技术的重大进展使我们能够同时记录大量神经元的电活动。此外,基于这些功能活动,科学家已成功重建了大量神经元之间因果相互作用的网络,并将这些复杂相互作用的拓扑结构称为“微连接组(microconnectome)”9。从宏观层面观察大脑时,由于许多脑区通过多束纤维相互连接,整个大脑也可被视为一种网络结构。然而,在当前技术水平下,将微连接组嵌入到全脑图谱中仍存在明显局限,因此这种嵌入方案显得尤为重要。但该嵌入协议的建立仍面临诸多挑战。例如,若要观察完全隔离脑区中活体局部神经环路的活动,则需要制备脑切片以进行体外记录。此外,脑切片记录仍是体外研究的重要选择,至少出于两个原因:第一,目前仍难以以高时间分辨率(<1 ms)同时观测深度超过约1.5 mm脑区中大量活体单个神经元的活动;第二,当我们希望了解局部神经环路的内部结构时,必须阻断来自外部脑区的所有输入,以消除混杂因素。为了确定所制备脑切片的方向与位置,还需利用坐标系统整合这些脑切片的空间位置信息。然而,目前系统且可靠地有序制备脑切片的方法仍较为有限10,11。本文介绍了一种新的共配准协议,该协议采用3D扫描技术服务于神经科学研究,旨在提供一种整合性方案。该协议可协调微观与宏观尺度,将多电极阵列(MEA)的微观数据12,13以及染色数据,通过提取脑组织及无创记录脑组织的3D扫描表面,嵌入到宏观MRI空间中。令人惊讶的是,该方法在直方图中的模式值仅表现出约50 μm的距离误差。结果表明,在六只小鼠中,MRI表面与扫描所得3D表面之间最小距离的模式值均接近50 µm,这一数值在评估个体间共性时是合适的。典型的切片厚度约为300 µm,并记录到神经元的脉冲活动。
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本文所描述的所有实验程序均已获得京都大学动物护理委员会的批准。
1. 动物(第1天)
2. MRI 设置(第1天)
3. MRI 数据采集(第1天)
4. 实验溶液的制备(第2天)
5. 仪器设备的准备(第2天)
6. 脑表面扫描、切片与多电极阵列记录(第2天)
7. 免疫组织化学染色(第3天和第4天)
8. 提取皮层体积的 MRI 数据处理
9. MRI 图像处理以提取皮层表面
10. 三维扫描数据的预处理
11. MRI 表面与 3D 扫描表面的共同配准
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我们评估了通过剥离MRI体数据生成的皮层表面与从离体大脑3D扫描获得的表面之间的距离。距离直方图的众数值仅为55 μm(图3a)。此外,当从距离为零的点开始对直方图进行累积时,累积值在约300 μm处达到总样本数的90%(图3b)。两个表面间距离的最终直方图显示出一个典型的峰值,位于约50 μm附近。若从宏观角度解释该数值,有趣的是,该精度(众数值约50 μm)与MRI体素尺寸(即100 µm)所预期的几何极限相吻合(图3a)。这一点间接表明,MRI与3D扫描之间的重叠算法(ICP)工作效果极佳,且MRI与3D扫描的噪声水平均被有效抑制至较低水平(图2a,b)14。
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我们开发了一种名为3D-NEO的新方案,通过更精确地叠加两个脑表面,实现宏观与微观空间尺度之间的衔接。最初,在创建该方案时存在两个挑战,这些挑战曾阻碍对两个脑表面图像进行精确叠加以及从活体生物中记录健康的神经元活动。首先,在从颅骨中取出脑组织后,必须在不损伤脑组织的前提下,有效清除其周围残留的切片液(方案第6.2步)。其次,由于干燥和时间延迟这两个条件可能对活体组织产生不利影响,因此必须在10至15分钟内完成从脑组织提取到切片制备的全部扫描步骤,以维持神经元的活性。
利用本方案成功记录脑活动的能力,现已实现了不仅对结构组织,而且对全脑图谱上功能活动的协调。该方案的另一个优点是,由于已制备了血脑屏障(BBB),扫描仪与振动切片机基座之间的校准变得更加顺畅。
如代表性结果所述,两个表面之间距离的直方图显示峰值出现在约 50 μm 处。尽管我们进行了重叠处理,这看似是从宏观视角进行的;但如果从微观视角来解释该结果,50 μm 是神经元分布中具有可比性的空间尺度,因为皮层神经元对之间的连接概率在约 100 μm 范围内即显著衰减
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作者无任何利益冲突需要披露。
M.S. 感谢京都大学研究生院医学研究科及医学部医疗信息工程课程全体教职人员的支持,并感谢高桑哲哉教授、泽本信克教授和多丽丝·扎基安(Doris Zakian)提出的有益意见。本研究得到了日本文部科学省(MEXT)“挑战性探索研究资助项目”以及“优秀青年研究人员领先计划”(LEADER)对 M.S. 的资助。本研究中的磁共振成像实验在日本京都大学研究生院医学研究科医学研究支援中心的小动物磁共振成像部门完成。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 空气压缩机 | Kimura Medical | KA-100 | 磁共振成像动物准备 |
| 一体式荧光显微镜 | KEYENCE | BZ-X710 | |
| 麻醉箱 | Bio Research Center | RIC-01 | 磁共振成像动物准备 |
| 麻醉系统 | ACOMA Medical Industry | NS-5000A | 磁共振成像动物准备 |
| 抗GAD67,克隆1G10.2 | Merk Millipore | MAB5406 | 用于免疫染色 |
| 氯化钙 | nacalai tesque | 06729-55 | aCSF |
| 氯化胆碱 | nacalai tesque | 08809-45 | aCSF |
| 弯头钝头镊子 | |||
| 一次性手术刀 | Kai | 10 | |
| 不含钙和镁的D-PBS(-)液体(10倍浓缩) | nacalai tesque | 用于免疫染色 | |
| D(+)-葡萄糖 | Wako | 049-31165 | aCSF |
| 明胶 | nacalai tesque | 16605-42 | 重切片 |
| 山羊抗小鼠IgG(H+L)高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor Plus 488 | Invitrogen | A32723 | 用于免疫染色 |
| 山羊抗兔IgG(H+L)高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor Plus 555 | Invitrogen | A32732 | 用于免疫染色 |
| 加热垫 | Bio Research Center | HM-10 | 磁共振成像动物准备 |
| 加热垫控制器 | Bio Research Center | BWT-100A | 磁共振成像动物准备 |
| 加热系统 | SA Instruments | MR-compatible Small Animal Heating System | 磁共振成像动物准备 |
| 异氟烷 | AbbVie | 磁共振成像动物准备 | |
| 异氟烷蒸发器 | ACOMA Medical Industry | MKIIIai | 磁共振成像动物准备 |
| 线性切片机 | DOSAKA | Neo Linear Slicer MT | |
| L(+)-抗坏血酸钠盐 | Wako | 196-01252 | aCSF |
| 六水合氯化镁 | Wako | 135-00165 | aCSF |
| MaxOne 单孔微电极阵列 | MaxWell Biosystems | ||
| 金属刮刀 | |||
| 监测系统 | SA Instruments | Model 1025 | 磁共振成像动物准备 |
| 监测软件 | SA Instruments | PC-SAM V.5.12 | 磁共振成像动物准备 |
| 磁共振兼容托架 | Bruker BioSpin | T12812 | 磁共振成像动物准备 |
| 磁共振线圈 | Bruker BioSpin | T9988 | 用于磁共振成像 |
| 磁共振操作软件 | Bruker BioSpin | ParaVision 5.1 | 用于磁共振成像 |
| Neo LinearSlicer MT | D.S.K. | NLS-MT | |
| NeuN (D4G40) XP 兔单克隆抗体 | Cell Signaling | 24307 | 用于免疫染色 |
| 正常山羊血清 | Wako | 143-06561 | 用于免疫染色 |
| 氯化钾 | Wako | 163-03545 | aCSF |
| 聚乙二醇单对异辛基苯基醚 | nacalai tesque | 12967-45 | 用于免疫染色 |
| 压力敏感式呼吸传感器 | SA Instruments | RS-301 | 磁共振成像动物准备 |
| 临床前磁共振扫描仪 | Bruker BioSpin | BioSpec 70/20 USR | 用于磁共振成像 |
| 丙酮酸钠盐 | nacalai tesque | 29806-54 | aCSF |
| SCAN in a BOX | Open Technologies srl | ||
| 剪刀 | |||
| 筛瓶 | TIGERCROWN | 81 | 用于3D扫描 |
| SlowFade Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | S36937 | 用于免疫染色 |
| 氯化钠 | Wako | 191-01665 | aCSF |
| 磷酸二氢钠 | Wako | 197-09705 | aCSF |
| 碳酸氢钠 | Wako | 191-01305 | aCSF |
| 亚硫酸氢钠 | nacalai tesque | 31220-15 | 用于免疫染色 |
| 热敏电阻温度探头 | SA Instruments | RTP-101-B, PLTPC-300 | 磁共振成像动物准备 |
| 门齿固定杆 | Bruker BioSpin | T10146 | 磁共振成像动物准备 |
| 带翼静脉穿刺针 | TERUMO | SV-23CLK | 用于灌注 |
| 1 mol/l Tris-HCl 缓冲液 | nacalai tesque | 35436-01 | 用于免疫染色 |
| 1 mol/l 盐酸 | nacalai tesque | 37314-15 | 用于溶液pH调节 |
| 16%甲醛水溶液 | Electron Microscopy Sciences | 15710 | 用于免疫染色 |
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