2022-05-13
Sci Adv | 首次发布：人脑细胞级精度微观结构和 MRI融合3D图
原创 存在一棵树 图灵基因 2022-05-13 07:03
收录于合集#前沿生物大数据分析
撰文：存在一棵树
IF=14.136
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
联合组织学、免疫组织化学和7-T定量磁共振成像技术，在两个人体标本中构建了脑细胞和纤维结构的第一个三维(3 D)索引图。
2022年4月27日，阿姆斯特丹大学社会与行为科学学院认知神经科学神经成像Birte Forstmann教授团队在《Science Advances》上发表了一篇名为“A unified 3D map of microscopic architecture and MRI of the human brain”的文章。本文介绍了该团队通过整合大量显示了神经元和神经胶质细胞体、神经纤维和神经元间群体以及超高场定量 MRI数据的显微切片，并以 200μm的尺度与堆叠的块面图像共同对齐构建了大脑的3D索引图，每张图约整合了800 个显微切片的数据。
一张详尽的人类大脑图一直是神经解剖学家长期追求的目标，对人类大脑进行系统描述的必要性非常明确；但目前为止，只有一张全脑覆盖的3 D全脑图谱是公开可用的，其在20 μm 截面和 21 μm 平面内提供来自单一类型组织学染色的细胞结构细节。最近也推出了400 μm分辨率的来自三种不同显微镜对比的完全注释染色切片，辅以3-T MRI。这里，本文团队构建了第一个可公开访问的 3D 全脑图，其中包含多个显微镜对比和 7-T 定量多参数 MRI，分辨率为200μm。
如图1所示，该3D全脑图包括五个显微标签、块面图像和三个定量 MRI 对比提供了丰富的解剖学信息。在此综合图像中以 200 μm的分辨率描绘了神经纤维、神经元和神经胶质细胞体，以及中间神经元群体的免疫标记；对于每个单独的染色程序，提供了 600-1000μm的采样间隔，为下丘脑核中的 mRNA 和免疫反应性提供了足够的细节；而对于区块面，针对所有部分都进行了采样；而切片前采集的 MRI 包括多个定量 MRI 参数图，各向同性分辨率为 400 μm。该团队出于对每个方面的考虑提供了对大脑的全面覆盖信息。
如图2所示，该数据集使用改编自 MRI 皮质分析工具的处理技术，MRI 和显微镜对比已经可以映射到皮质表面。这为研究人脑的骨髓和细胞结构之间的关系提供了一个重要的链接。现在可以通过跨 MRI 和显微镜模式的共配准将其与定量 MRI 参数进行比较，比较人脑的细胞和骨髓结构。除此之外，大脑的一些结构在很大程度上仍未被探索，例如血管结构，这里通过检测多个包含染色的血管，从而重建全脑血管图或使用数据自动描绘皮层下结构。在诸如丘脑之类的结构中，已经根据各种体内 MRI 对比进行了分割，但由于某些边界在不同的方法下显示出有限的可见性，可能会导致差异性，这里通过多种免疫组化对比，解剖边界变得明确，可以进一步与 MRI 对比变化进行比较。
该团队提供的大脑结构的分割是通过调整和优化最初开发用于处理体内 MRI 数据的软件工具获得的，构成了更精细的全脑分析的起点，但应针对特定应用进行严格检查。如图3所示，展示了在20μm 显微镜切片上检测到的介观脉管系统的初步映射，从截面估算并重新组合到区块面空间，即将20-μm不同截面的形状单张量分析，然后重新组合到块面图像的200-μm空间。
如图4所示，在获的连续的块面图像后，该团队对2D-3D对准问题简化为了2D-2D 配准，并参数优化后提供良好的宏观对齐。首先，重构堆叠和背景阴影的区域定义了公共空间，它们提供了高分辨率的 3D 解剖图和与单个显微镜切片的对应关系；随后可以根据其进行前后向跨切片配准，不仅将单个染色对比度与块面对齐，还在显微镜对比度和勾勒大脑轮廓和血管位置的特征图上配准的相邻切片对齐；之后再使用ANTs SyN 算法和 Nighres 工具箱进行比对，用非局部平均方法对共对齐的显微镜图像进行插值，以推断组合显微镜和块面成像的染色之间的对比度；最后MR 图像也与 ANT 以 3D 形式与块面对齐，并使用块面掩码进行头骨剥离。而对于两个不同样本之间的对弃，则在切片之间已经标记出跨标记或标记内连续切片之间的平均距离。
教授介绍
Birte Forstmann，于1976年被任命为阿姆斯特丹大学（UvA）社会与行为科学学院认知神经科学神经影像学教授。她的研究方向为行为和神经机制以及作为适应性认知控制过程基础的结构性大脑异常，并对决策和干扰控制中的个体差异特别感兴趣。Forstmann通过MRI对此进行了调查，为此将数学和描述性模型与功能性MRI（一种特殊的MRI技术，通过计算机使大脑活动在三维图像中可见）和扩散张量MRI（DTI）（一种相对较新的成像技术，可以对有关组织结构的信息进行成像）相结合。
参考文献
1、Alkemade, Anneke et al. “A unified 3D map of microscopicarchitecture and MRI of the human brain.” Science advances vol. 8,17 (2022):eabj7892.
