Summary
在这篇文章中，我们描述了完整的实验程序来重建，具有分辨率高，荧光标记的小鼠大脑的优良大脑解剖。所描述的协议包括样品制备和清算，样品安装成像，数据后处理和多尺度可视化。
Abstract
理解哺乳动物大脑的结构在单细胞分辨率是神经科学的关键问题之一。然而，在整个大脑的神经元映射胞体和预测仍是成像和数据管理技术的挑战。事实上，宏观的卷需要具有高分辨率和对比度重建在合理的时间，生产的TB级范围内的数据集。我们最近展示了一种光学方法（光共聚焦显微镜片，激光共聚焦显微镜），能够获得标记与增强型绿色荧光蛋白（EGFP）整个老鼠大脑的微米级重建。结合光板照明和激光共聚焦检测，激光共聚焦显微镜可以让深层成像内宏观清除标本具有高对比度和速度。在这里，我们描述了完整的实验管道获得标有荧光蛋白整个老鼠大脑的全面和人类可读的影像。结算及安装procedures进行了描述，连同步骤通过获取许多平行相邻的堆叠在其整个体积中进行光学断层摄影术。我们发现开源定制软件工具使多个栈和多分辨率的数据导航的拼接使用。最后，我们示出脑映射的一些例子：从L7-GFP转基因小鼠，其中所有的浦肯野细胞的选择性标记，以及从THY1-GFP-M鼠标，其特征在于由一个随机稀疏神经元标记的全脑小脑。
Introduction
相较于我们的细胞和分子机制基本脑功能的了解，我们的优良神经解剖学的知识，看起来还处于起步阶段1。事实上，我们还缺乏长期预测中的神经元胞体或整个大脑的位置综合地图。事实上，许多技术努力致力于重建小鼠大脑与微观的分辨率。根据树脂包埋标本，连续切片的光学方法，刀口扫描显微镜（KESM）2，微光学切片层析成像（MOST）3和荧光MOST（fMOST）4，可提供亚微米的三维解析成像整个鼠标的大脑。然而，所需要的单个样品的制备和成像的总时间是几个星期的数量级，限制了这种方法的实际应用。基于连续切片的另一项技术（但没有树脂包埋），串行双光子断层扫描（STP）5，允许高三维高分辨率成像。然而，该技术已被证明在整个小鼠脑中只用非常稀疏采样，采集1段每50微米5，并以我们的知识STP没有产生又一个鼠大脑的完整采样重建。
在高速重建整个标本的三维尖端的光学方法是轻质板材镜6。在该光学方案的样品被照射的薄光片和荧光发射是沿垂直于所述照明平面的轴线收集。以这种方式仅在焦荧光被激发，这是能够实现宽视场配置的光学切片，以保证高的帧速率。当联接到清除基于水的折射率匹配液7的取代的协议，光片显微镜已经被应用到宏观标本，作为整个老鼠大脑8。然而，样品诱导的光散射，这会影响甚至清除标本，降低了光片导致的离焦的荧光团的激发这增加了整体的模糊所获取的图像。
有选择地收集仅在对焦光子，我们最近耦合光片照射到激光共聚焦检测方案9。在共焦光片显微镜（CLSM），出焦和散射光子被一个线性空间滤波器（狭缝）在检测之前（ 图1）拒绝。为了实现在光片建筑共焦操作时，该照明用的扫描线的装置产生，而在检测路径的去扫描系统创建在狭缝的位置的激发扫描线的静态图像。第三扫描系统重建的二维图像上的相机传感器。激光共聚焦显微镜能提供在清理鼠标100％对比度增强同时保持10赫兹帧频的大脑相对于传统光片镜。用激光共聚焦显微镜能够重建整个老鼠大脑为2μm的XY和9微米的Z轴分辨率，并具有足够的对比度，以识别单个荧光标记的神经元。
在本文中，我们描述了实验管道重建小鼠的大脑与激光共聚焦显微镜。醛固定小鼠的大脑梯度脱水系列的无过氧化物的四氢呋喃，并随后被清除在无过氧化物的二苄醚（ 图2），下面通过Becker 等人 10的清零标本开发的协议，然后小心地安装在一尖板放置在一个特制的激光共聚焦光片显微镜成像室。样品可以直接安装通过在板（ 图3a）的前端切入它;备选地它可以清除琼脂糖凝胶上的盘（ 图上被粘图3b），或放置在作出清零琼脂糖凝胶（ 图3c）的烧杯中的空腔中。然后进行整个大脑的光学断层扫描，因为被收购的许多平行相邻堆覆盖所有的脑容量（ 图4）。预断层扫描采样，产生的样本位置和形状的粗略地图，保证只在由样本所占的体积进行成像。该断层栈随后缝合在一起使用自制软件，并保存在一个多分辨率分层方案11。老鼠大脑最终可以探索与原型多分辨率谷歌地图般的可视化软件。这两个软件工具集成为开源平台Vaa3D 12插件。
最终推导出的小鼠大脑的代表图像来演示在研究小鼠精的neuroanatom描述实验管道的能力年。
Protocol
1。组织准备和储存
- 通过标准穿心灌注13固定鼠脑用20毫升0.01M的磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中，接着在0.01M的PBS 100毫升多聚甲醛4％。仔细调节两种溶液的pH至7.6：pH值稍低的值可淬EGFP的荧光。
- 在多聚甲醛4％，4℃后固定切除大脑过夜
- 冲洗两次（每次30分钟）在0.01 M的PBS，并存储在0.01 M的PBS于4℃
2。脱水及结算所
注意：该协议用 于脱水和结算紧跟由Becker 等 10所描述的。
- 从脱水溶剂（四氢呋喃，THF）中，用的是色度的强烈淬灭XFP荧光，过滤的THF与碱性活性氧化铝（活性级布罗克曼我，THF中的约250克/升）除去过氧化物tography列。避免柱的开裂，这会降低过氧化去除。
- 加稳定剂（二丁基羟基甲苯，250毫克/升）的最终溶液中，即使在THF中在过滤之前已经稳定。稳定剂，其实是由三氧化二铝保留：不加稳定剂THF可发展为大量的过氧化物，可易爆危险。
- 脱水整个鼠脑在纯水中的渐变系列THF中的50％，70％，80％，90％，96％，100％，每1小时，然后100％过夜。将小瓶用样品上的旋转轮。为了避免光线照射，包装用铝箔的小瓶。
- 过滤清洗溶剂（二苄基醚，DBE）与氧化铝（基本活性，活性级布罗克曼我，DBE约250克/升）用过滤漏斗。
- 清除100％DBE的样品。后3和6小时改变溶液。
3。试件安装
- 当大脑通过眼睛（典型看起来透明第二DBE变化后新增Cally 1小时），它安装在尖成像板通过下列方法之一：
- 直接安装 -轻轻地投身于其中窍门（ 图3a）的样品。
- 琼脂糖盘 -跳水上的提示做的6％琼脂糖凝胶光盘。轻轻地固定在琼脂糖光盘用丙烯酸胶水的样品（ 图3b）。等待约1分钟进行固化。
- 琼脂糖烧杯 -扎拉上的尖 端制成的3％琼脂糖凝胶的烧杯中。轻轻地放置在样本上的烧杯的底部（ 图3c）。
注1：安装在琼脂糖烧杯中应首选时，它是重要的影像的全部样品，但是，周围的标本琼脂糖凝胶产生了额外的光散射这可能会损害图像质量。如果样品的一小部分可以被排除在成像时，最好装入规格imen琼脂糖磁盘或直接在小费。前者的方法是最适合养脑水平（从成像脑的腹侧或背侧部除外），后者以保持大脑垂直（从脊髓的成像嗅球的一部分或不包括）。
注2：在琼脂糖凝胶应在水中来制备，然后脱水，用THF（50％和100％4小时各）和DBE 100％清除4小时或直到它看起来清晰透明。
- 安装试样以下的上述方法之一后，使用镊子将样品室内部定位成像板。与结算解决方案填补了腔。
4。体层摄影术准备
- 除去缝隙中收集尽可能多的荧光越好。
- 照明样品低激光功率，以防止漂白。
- 移动样品中使用的软件驱动的微定位系统·三个方向米。确定每一方向上的最小和最大坐标的量，样品被照射并在视摄像机（ 图4a）的视场内。
- 将上述坐标作为“预断层扫描”子程序的参数。还指定相邻堆叠之间的断层摄影中使用和在z方向上的前体层摄影术采样步骤的距离。
- 开始预层析，收集的图像中的每个堆叠以在（4.4）中指定的Z采样。
注意：所收集的图像被用于通过软件来制备试样形状和位置（ 图4b），其允许限制断层扫描采集仅由样品实际占用的体积，减少成像时间，从而漂白粗略地图。
5。断层扫描采集
- 将样品用微定位系统的光片的外侧。
- 公司REASE激光功率，并停止所有的扫描系统的运动，以便照亮只有固定线在视场的中心。
- 安装缝隙，并使用从结算解决方案的自体荧光信号对齐。你应该清楚地看到在视场中心的切割线。
- 重新启动扫描系统，降低激光功率，并使用微定位系统的样品移动光片的内部。注意，与狭缝中使用的激光功率会比没有它用于更高，因为空间滤波器块不可忽略的光的分数。
- 调整的幅度和控制软件的扫描和反扫描系统的偏移，直到图像看起来清晰明亮。
- 运行断层扫描采集软件，设置实验中适当的z步骤之后。该卷将被拍摄了许多平行的，部分重叠的叠层（ 图5a），图像将被保存在分层文件夹结构。
6。拼接和可视化
- 使用自动化软件（ 图4c）与合成黑色的图像（所收集的相同类型和尺寸的图像，即那些-，但具有零强度）完成所获取的体积。此步骤是必须的，为了使拼接软件来处理一个完整的立方体体积。
- 启动Vaa3D软件（从免费的下载http://www.vaa3d.org/ ）安装TeraStitcher和TeraManager的插件。
- 加载TeraStitcher插件。选择包含成像体积的目录中，指示坐标轴的相对方向（相对于一个参考右手坐标系统）和体素尺寸。
- 启动拼接的第一部分。该软件将计算堆栈夫妻之间的相对位移，并找到一个全局最优placem耳鼻喉科的所有堆叠在一起（ 图5b）。
- 选择保存缝合量在单分辨率或在多分辨率格式。后者能够为多分辨率可视化与TeraManager插件。在这两种情况下，如果分辨率更高的图像比几GB的，还可以选择多堆栈保存方式，并指定个别substacks的大小。这将使高效地访问所存储的数据。
- 启动拼接的第二部分。该软件将合并对齐堆栈，并将它们保存在单或多栈模式（ 图5c和5d）。在年底关闭TeraStitcher插件。
- 加载TeraManager插件。与多堆叠多分辨率音量选择文件夹，并注明体素的尺寸和轴的方向。该卷将在最小分辨率被加载。
- 要放大到一个更高的分辨率，选择使用鼠标右键单击modalit的一个里程碑Vaa3D的Y，然后放大使用鼠标滚动。或者，您也可以直接选择投资回报率来放大与右键单击，或指定感兴趣的体积的坐标。
- 要放大到较低的分辨率，只需用鼠标滚动。
Representative Results
所描述的协议可以被用来重建与微米级的分辨率无论是整个老鼠大脑或部分切除，而不需要物理切片。作为代表性的结果，在图6中示出了L7-GFP的小鼠（10产后天）的整个小脑。在这种动物的所有浦肯野神经元都贴有绿色荧光蛋白。如果我们放大，小脑皮层的典型的层状结构可以看出（ 图7）。进一步放大可清楚区分每浦肯野细胞胞体（ 图8）。所描述的协议，因此可用于筛查神经元空间组织各种神经发育研究。
作为第二个代表性的结果，我们从成年THY1-GFP-M鼠标unsectioned大脑呈现的图像。在此转基因动物的EGFP表达在一个随机稀疏神经元的子集。大脑的右半部分示出在图9中。正如我们放大式越走越（ 图10和图11），神经元突起成为区分。这一结果表明，所描述的协议允许微米级分辨率成像在整个成年小鼠的大脑，开启在神经退行性疾病的小鼠模型细胞高分辨率学习全脑解剖结构的可能性。
图1。该设备的共焦光片显微镜（CLSM）的光学方案。（一）顶视图，显示了激励途径。从488nm的二极管泵浦固态（DPSS）激光器的激光发射，扩展和准直由第一望远镜后，进入一个声光可调谐滤波器（AOTF），其调节光束的强度。然后，第二望远镜进一步扩大了光束。一个电流计镜垂直（沿y）的扫描是该装置时，集中由试样腔室内部的透镜。（二）的侧视图，表示该检测途径。光由检测物镜收集被垂直通过一个电流计镜退扫描并通过透镜聚焦，从而产生移动励磁线路的固定图像。在固定的图像的位置的线性空间滤波器（狭缝）放置。狭缝后，检流计反射镜放置在4023透镜系统内重建一个2维图像的电子倍增电荷耦合器件（EM-CCD）的芯片上。一种荧光带通滤波器取出检测之前的所有激励的杂散光。激励，检测和带通滤波检测光代表射线是由蓝色，淡蓝色和绿色的光线，分别描绘。在显微镜下实际使用的所有镜头的焦距表示。 点击这里查看大图 。
图2试样的结算。甲醛固定小鼠的大脑，其在4℃下保存于PBS中的0.1M（a）中 ，脱水的梯度系列的四氢呋喃（THF，b）和随后在100％的二苄基醚清零（DBE ，C）。脱水步骤也导致一些组织收缩。
图3。样品安装的激光共聚焦显微镜成像的清脑可以直接暴跌在放倒安装板（一），粘在清除琼脂糖盘（b）中 ，或在清除琼脂糖烧杯（三）插入。
图4。断层扫描采集。预断层常规样品含有脑（a）确定所需的图像中的所有样品平行相邻的堆的数量和长度的平行六面体（b）所示 。断层扫描后，生成黑色图像来完成虚拟购入量为平行六面体（c）所示 。
图5。卷拼接的图像采集栈对方（一）之间的部分重叠，使他们与TeraStitcher插件（二）精确对准。该插件然后合并对齐栈在任何一个单一的堆叠（三）或多站cked（D）的多分辨率表示。
图6。一个P10 L7-GFP的小鼠，其中所有的浦肯野神经元都贴有绿色荧光蛋白。比例尺，0.1毫米的全小脑 。
图7。放大在小脑的一部分，如图6所示，示出了小脑皮层，比例尺，500微米的典型层状结构 。
图8。进一步放大在图6中所示的小脑的一部分的。浦肯野细胞胞体可以明确区分编辑。比例尺，200微米。
图9。大脑从成年人THY1-GFP-M鼠标，其特征在于由一个稀疏非特异性神经元的EGFP标记。比例尺，1毫米右半部 。
图10。放大，在图9所示的半脑的一部分的，示出了海马和。比例尺，200μm以下的皮层的一部分 。
图11。进一步放大，在图9所示的半脑的一部分的几个轴突在皮层能够清楚地区分。比例尺，50微米。
Discussion
激光共聚焦显微镜加上化学清算代表一个功能强大的工具来研究标记的荧光探针，无论是蛋白质或合成染料整个老鼠大脑的神经解剖学。由于焦平面以外发出的光被一个物理空间滤波器，高对比度的成像是可能的也是厚厚的标本，同时保持高帧率典型的轻质板材建筑。
主要的问题来处理使用所描述的方法时，与是的对比度最大化。实际上，可用的信号都通过化学和光学因素降低。从化学角度来看，基于有机溶剂的清关程序可以从荧光蛋白和其他荧光染料7解渴排放。作为溶剂，过滤以除去过氧化物，如由Becker 等人 10，允许保持荧光的良好水平也是在溶剂被清除的组织。发布编辑水性结算方法14不降低荧光效率，反而会导致透明度较差，与整个鼠大脑处理，至少在非线性光学技术。
在另一方面，在目前有有长 工作距离的高折射率（n≈1.56）结算使用的解决方案纠正任何商业目的。因此，在该样品浸入介质和物镜的设计1之间的折射率失配产生了强烈的球面像差。除了减少显微镜的分辨率，这样的像差导致的下降的图像亮度和对比度时，由于光被铺展在更广阔的领域。可能的解决方法对这个问题包括使用自适应光学系统15和/或静态非球面校正器。
任何改善图像的对比度和亮度也很容易影响到成像的速度，因为在短每幅图像tegration时间可以选择。此刻CLSM可以承受大约10 6微米3 /秒的成像速度，以100毫秒9的照相机的曝光时间。在此速度下需要从1-3天到图像的整个鼠脑，这取决于样品的大小。虽然在图像质量没有显著下降在整个这么长的成像会议的光片照射6固有的低光漂白主要是因为，观察到的，很长一段时间需要像一个鼠标的大脑可以在实践中减少CLSM的适用性。一个10倍的系统效率，加上采用高速摄像头进行检测，将减少成像时间为几个小时，让日常使用所描述的协议。
尽管所有的上述局限性，激光共聚焦显微镜成像耦合到组织许可证化学结算重建整个老鼠大脑与微米级分辨率，在不到一个一周。其他光学方法全脑成像能力在较长的准备和/或成像时间2-4的价格，或稀疏Ž采样5的分辨率比激光共聚焦显微镜高，但。
本文中介绍的方法可以在与荧光标记不同的策略组合使用：转基因动物表达在选定的神经元亚群，病毒转染，脑实质内注射染料等荧光蛋白在实践中，动物牺牲前所有染色战略与激光共聚焦显微镜兼容。事实上，整个老鼠大脑中的验尸报告荧光标记，未能证实到现在，无论如何，如果此类染色将有可能在不久的将来，可与激光共聚焦显微镜重建标本的数量将变得更大，可能包括人脑组织。
总之，在使用与TIS组合共聚焦光片显微镜起诉清算和多分辨率的数据管理可以使研究人员重建和分析宏观标本在微米级分辨率，与那些在好大多数实验室的手技改力度。激光共聚焦显微镜的潜在应用当然不限于神经系统科学，但涵盖所有中，轻质板材镜已被使用的研究领域，如胚胎发育16,17和小动物18的解剖。
Disclosures
作者宣称，他们有没有竞争的财务权益。
Acknowledgments
这项研究导致这些结果根据出让协议已收到的资金来自欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）号码n。 228334和241526。这一研究项目也已支持人类前沿科学计划的研究经费（RGP0027/2009），以及由意大利教育部教育，大学和研究中的旗舰项目NANOMAX的框架，并通过在意大利的框架卫生部“干细胞提案征集”。这项研究已经进行了的图标地基“恩特卡萨迪Risparmio Di Firenze酒店”支持的研究活动的框架。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Phosphate Buffered Saline Tablets | Sigma-Aldrich | P4417_100TAB | |
| Paraformaldehyde | Agar Scientific | R1018 | |
| Peroxide-free Tetrahydrofuran | Sigma-Aldrich | 186562 | |
| Aluminum oxide activated, basic, Brockmann I | Sigma-Aldrich | 199443 | |
| Dibenzyl ether | Sigma-Aldrich | 108014 | |
| Butylated hydroxytoluene | Sigma-Aldrich | W218405 | |
| Agarose Type III-A, High EEO | Sigma-Aldrich | A9793 | |
| Acrylic glue | Bostik | D2498 | |
| Vaa3D software | open source | freely downloadable from http://www.vaa3d.org/ |
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