私たちは、光学多層干渉断層撮影(OMLIT)という新しいイメージング技術を導入し、脳標本内のすべての細胞をメソスケールで偏りなくイメージングでき、同じサンプル上のテープベースのシリアル走査型電子顕微鏡のイメージングワークフローにシームレスに統合できます。
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私たちは、光学多層干渉断層撮影(OMLIT)という新しいイメージング技術を導入し、脳標本内のすべての細胞をメソスケールで偏りなくイメージングでき、同じサンプル上のテープベースのシリアル走査型電子顕微鏡のイメージングワークフローにシームレスに統合できます。
脳内の複雑な神経ネットワーク内の構造的および機能的関係を理解するには、広い視野と細胞内分解能の両方を持つ脳アトラスの構築が必要です。しかし、現在の光学顕微鏡および電子顕微鏡のイメージング方法にはそれぞれ制限があり、単一の試料内のすべての細胞を撮像するのは困難です。このプロトコルでは、光学多層干渉断層撮影(OMLIT)と呼ばれるイメージング技術を導入し、電子顕微鏡サンプルの準備後に作成された脳標本のすべての細胞を無差別に光学イメージングし、すべての神経細胞の完全な脳アトラスを再構築します。さらに、OMLITイメージングは自動テープ収集型ウルトラミクロトミー走査型電子顕微鏡(ATUM-SEM)のイメージングワークフローとシームレスに統合可能です。これにより、電子顕微鏡撮影前に細胞のメソスケール構造情報を取得でき、関心領域の正確な選択が可能となり、高分解能電子顕微鏡(EM)イメージングに必要な面積とデータ量を大幅に削減できます。この手法の正確性と適合性を成体マウスの大脳皮質の実際のサンプルで検証し、多スケール脳アトラス構築における広範な応用可能性を示しました。
細胞および細胞内分解能での神経回路の包括的なマッピングは、脳の構造と機能を明らかにするために不可欠です。従来の光学イメージング手法、例えば二光子顕微鏡1、蛍光微光学断層撮影(fMOST)2,3,4、VISoRシステム5などは、メソスケール神経のイメージングや生体内機能イメージングを可能にしました。しかし、標識がまばらであるため、細胞全体の集団を捉えることはできません。一方、機能的光音響顕微鏡(fPAM)6,7、光コヒーレンス断層撮影(OCT)8、定量位相顕微鏡9などのラベルフリー光学イメージング技術は、視野内のすべてのニューロンを同時に可視化する可能性を秘めています。しかしながら、これらの手法は通常、軸方向分解能が低く画像深さが浅いため、ハードウェアの複雑さから脳アトラス構築への広範な応用が妨げられています。これに対し、シリアルブロックフェイスSEM(SBF-SEM)10,11、集束イオンビームSEM(FIB-SEM)12,13,14、自動テープ収集型ウルトラマイクロトミーSEM(ATUM-SEM)15,16,17などの連続断片電子顕微鏡(SSEM)技術がありますはナノメートル分解能で高密度なシナプス結合ネットワークを明らかにし、高解像度コネクトミクスに不可欠なツールを提供します。しかし、これらの技術は低スループット、長い取得時間、限られた視野、そして高いデータ処理およびハードウェアコストという問題を抱えています。
上記の制約を克服するために、私たちは光学多層干渉断層撮影(OMLIT)というイメージング手法を開発しました。これは、超薄片上のすべての細胞を無差別・高コントラスト・広視野で撮像し、広範囲の組織領域でサブミクロン解像度を達成する低コストかつ高スループットのソリューションを提供します。同時に、OMLITはシリアルセクションSEMのワークフローとも本質的に互換性があります。高分解能電子顕微鏡が登場する前は、同じセクションの構造情報を提供し、正確なROIナビゲーションを可能にし、その後のEMイメージングに必要な面積とデータ量を大幅に削減します。OMLITはメソスケールイメージングレベルで独自の利点を持ち、異なる空間スケールの神経構造マップをつなぐ重要な橋渡し役を果たします。その非破壊性により、将来の特定の標識戦略との統合、例えばオスミウム耐性蛍光タンパク質19 を用いたサンプル調製やイメージングの可能性があります。この手法により、選択した脳領域のメソスケールイメージングが可能となり、神経の形態、量、分布、密度を迅速に把握できます。また、異なる脳領域のニューロン間の軸索投射や樹状突起の定量的特徴付けも促進します。画像結果で関心のある特定の領域 については、現場 超微細構造の詳細を電子顕微鏡でさらに調査できます。
OMLITのイメージング原理は、Hao Fan20の研究で説明されています。簡単に言えば、イメージング中に超薄片、被覆層、集熱テープ、導電テープ、ウェハーが多層薄膜構造を形成します。平面波がこの構造と相互作用すると、反射波がさまざまな界面で生成され、検出空間内で重なり合い、反射率、屈折率、吸収の違いによる光学干渉が生じます。この原理に基づいて開発されたMATLABベースのシミュレーションプログラムは、実験結果とかなり一致していることを示しました。
OMLITイメージング方式は、テープ処理戦略に基づいて2つのタイプに分類できます。1つ目は高反射率戦略で、Cr、Cu、Al、Agなどの金属をテープ表面にコーティングし、細胞質領域や樹脂充填の血管腔で周囲よりも高い光学強度を実現します。2つ目は低反射率戦略で、無被覆カプトンテープ、D-50テープ、またはCNTコーティングPETテープを使用します。この場合、光学イメージングの結果は前者とは逆で、樹脂豊富な膜のない領域(例:細胞質や血管腔)が強度が低い状態で現れます。
私たちは体系的に要約し、2つの異なる画像診断戦略に合わせた標準化されたプロトコルを確立します。ここで紹介するプロトコルは、包括的かつ詳細な実験的手順を提供します。さらに、実験中に遭遇する一般的な問題点と提案された解決策もまとめられています。本研究では、低反射率戦略(805 × 857.5 × 11.66 μm³)で獲得したマウス皮質のデータセットを紹介し、OMLITイメージング手法の特徴と利点を示しています。
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すべての動物処置は、中国科学技術大学の機関ガイドラインおよび関連する国家規則に従って実施されました。OMLIT画像診断のサンプル調製は従来のEMと同じプロトコルに従い、我々が用いた具体的な手順は他の部分で説明されています。簡単に言えば、麻酔後、マウスはカコジル酸ナトリウム緩衝液、人工脳脊髄液(ACSF)、最後にグルターアルデヒドおよびパラホルムアルデヒドを含む固定剤を順次心裏灌流しました。脳は慎重に取り出され、約1 × 1 × 1 mm³の脳組織ブロックが切開されました。その後、試料は化学的に定着され、連続的な重金属染色を受け、脱水され、樹脂に埋め込まれました。プロトコルの一般的なワークフローは 図1に示されています。

図1:ワークフローの概要。 (A) プロトコルで言及されている収集テープ(左から右へ:ポリイミド、D-50、CNTコーティングPET)。(B) トリミングサンプルの連続断片および採取。(C)収集した断片を含むリボンを円形のシリコンウェハーに取り付けること。(D)光学顕微鏡イメージング、スケールバー100μm。(E)カーボンコーティング。(F) 電子顕微鏡イメージングは 図1Dに示された領域に対応し、スケールバー:10μm。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。
1. テープの準備
注意:以下の手順は、粉塵によるテープ汚染を防ぐためにクリーンルームで行うべきです。
2. 連続超薄切断およびテープベースの収集

図2:区切前の準備。 (A) 親水性処理の前後にD-50テープ表面に残る水滴。(B) D-50テープの接合領域の上部および側面の回路図図。青:D-50テープ;オレンジ:両面接着剤;緑の矢印:テープの移動方向。(C) トリミング後の試料正面図で、上下の平行なエッジが見えます。(D) 自動テープ収集装置。a: D-50テープフィーディングアウト用のテープスプール;b: テープ回収用のテープスプール;赤い矢印:テープの動きの方向。(E) 自動テープ収集装置上の収集ヘッドの位置。右下の黄色いボックスは、デバイスが回収しようとしている新たに切り取った部分を示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
3. シリコンウェハへのマウント
注意:以下の作業では、作業スペースを清潔に保ち、テープがほこりによる汚染を防いでいます。
4. 後染色
5. データ取得
6. データ処理
注:OMLIT画像の2Dステッチはソフトウェアによって自動的に行われます。大規模な3DレジストレーションやOMLIT画像のセグメント化には、他にもより強力なAIアルゴリズムが利用可能です。ここでは、ほとんどの研究所がプロセスを検証しやすくするために、Fiji(v1.54p、64ビット)およびVAST(v1.5.0、64ビット)を用いたステッチング、レジストレーション、セグメンテーションを実演します。
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プロトコル全体のワークフロー(図1)は、異なる収集テープの準備から始まります。図1は、プロトコルで言及されている3種類のテープ(左から右へ:Kapton、D-50、CNTコーティングPET)を示しており、同じ背景基板に置くと異なる光学特性を示します。試料準備とブロックトリミングの後、まず数個のセクションを電子顕微鏡撮影のために採取し、調製が期待通りであることを確認します。自動テープ収集システムを用いることで、数千のセクションを金属コーティングテープまたは未コーティングテープのいずれかに収集・接着することができます。これらのテープは特定の方法で配置され、4インチのシリコンウェハー上でセクションアレイを形成します(図1B,C)。染色後、試料は光学顕微鏡撮影に使用できます。次に、未被覆テープにカーボンスパッタリングのステップを加えることで、同じ試料バッチでマルチビー...
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ここで、OMLITと呼ばれる光学イメージング手法を開発し、これはメソスコープイメージングを可能にし、テープベースのシリアル走査型電子顕微鏡ワークフローと互換性があります。OMLIT法を用いることで、脳サンプルから血管、細胞体、核、主要な樹状枝、そして一部の大きな髄鞘軸索などの中間的な構造特徴を検出するために光学顕微鏡を用いることができます。さらに、OMLITはシリアルSEMパイプラインにシームレスに統合でき、電子顕微鏡撮影前の構造情報を提供し、後のEM取得のための関心領域の指針となります。OMLITイメージングプロセスの具体的な手順を示し、マウス皮質サンプルでその有効性を検証しました。
OMLITイメージングスキームは高反射率戦略と低反射率戦略に分類できます。どちらもテープの慎重な選択と取り扱いが必要です。高反射率戦略では、OMLITイメージング効果は主に多層膜構造からの干渉によって決まるため、ポリイミドテープやD-50テープの金属層の傷や剥がれは画像品質に影響を与え、関心のある領域がランダムに隠れ、
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利益相反は申告されていません。
この研究は中国国家科学基金(32271430、62361166631年)および中国科学技術部(2023YFF0715904)の支援を受けました。蘇州生体医工学技術学院公共技術センターおよび合肥総合国家科学センター人工知能研究所脳イメージング施設のOMLITおよび連続電磁波画像技術の支援に感謝申し上げます。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 粘着テープ | 3歳 | B5005094008 | 両面接着剤 |
| 原子間力顕微鏡 | ブルーカー | ディメンションアイコン | |
| 自動超薄片収集システム | レフア | オートカット II | |
| 導電性接着テープ | テッド・ペラ | FP16084-8 | |
| Dektak Stylus Profilers | ブルーカー | DektakXT | |
| 切断用のダイヤモンドナイフ | 珪藻 | DUJ3530 | 珪葉石ジャンボナイフ |
| トリミング用のダイヤモンドナイフ | 珪藻 | DTB90 | ガラスナイフ |
| 電子顕微鏡 | ツァイス | マルチSEM505 | 代替:GeminiSEM 300、ツァイス |
| FIJI(v1.54p、64ビット)およびnbsp; | オープンソース | https://fiji.sc | |
| ガラストリミングナイフ | 自力で作った | ||
| シトレート鉛 | ライカ | T534/2 | |
| 光顕微鏡 | オリンパス | VS200 | 代替手段:Axio Imager。A2 ヴァリオ、ツァイス |
| 光学顕微鏡 | ツァイス | Axio Imager.A2 Vario | |
| プラズマクリーナー | イードン・テクノロジーズ | ハイドロS4 | 代替品:Ted Pella Pelcoや他のベンチトッププラズマクリーナー |
| ポリマーテープ | メルトン | カプトン | 同社のウェブサイトは現在アクセスできません。研究者には地元で入手可能なKAPTONテープを試すことを推奨します。 |
| ポリマーテープ | 帝人 | ペット | https://www.teijin.com/ |
| ポリマーテープ | 帝人 | D-50 | https://www.teijin.com/ |
| シリコンウェハー | 最一 | 912303 | ウェハースの片面は研磨されています。 |
| スパッターコーター | ライカ | ACE600 | 代替案:ダブルヘッドスパッター、ユジエ |
| ウルトラミクロトーム | ライカ | UC7 | 代替案:RMC PT-PC |
| ウラニラセテート | EMS | 22400 | |
| VAST(バージョン1.5.0、64ビット) | ハワード・ヒューズ医療研究所 | https://software.dvid.io/vast/ | VAST A1:D32Liteは、大規模な3D顕微鏡データセットの手動注釈およびセグメント化のための無料ツールです。 |
| ZENソフトウェア(v3.2、64ビット) | ツァイス | https://www.zeiss.com/microscopy/zh/products/software/zeiss-zen.html |
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