發(fā)布時間：2021-06-01 07:13

　　對大腦進(jìn)行研究進(jìn)而獲得腦功能的機(jī)理對神經(jīng)疾病的治療與人工智能的發(fā)展具有重大意義。為了理解大腦,一個基本需求是獲取全腦范圍內(nèi)神經(jīng)元胞體特異性分布信息。獲取該信息主要包含兩個步驟:全腦胞體成像數(shù)據(jù)的采集;與參考圖譜配準(zhǔn)、腦區(qū)分割、胞體計數(shù)。作為腦功能研究的重要基礎(chǔ)之一,研究人員對快速、精確地獲取神經(jīng)元胞體分布的需求一直有增無減。針對這一目標(biāo),傳統(tǒng)方法對大腦進(jìn)行手工切片成像配準(zhǔn),耗時費(fèi)力且會引入較大人工誤差。新發(fā)展的顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)能獲取神經(jīng)元精細(xì)結(jié)構(gòu),但長達(dá)數(shù)天的樣本制備和成像較為耗時。光片成像技術(shù)在細(xì)胞分辨率下實(shí)現(xiàn)了快速全腦成像,但文獻(xiàn)中與之相配的樣本光透明處理需數(shù)天時間。同時,透明試劑還會導(dǎo)致樣本變形,增加后期配準(zhǔn)難度;對熒光的淬滅還會影響胞體統(tǒng)計。另外,現(xiàn)有全腦圖像配準(zhǔn)方法往往要借助背景通道信息來提高配準(zhǔn)精度,存在數(shù)據(jù)量較大、數(shù)據(jù)分析時間長等問題�？偨Y(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn),現(xiàn)有方法無法實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)完成包括樣本制備、全腦成像與數(shù)據(jù)分析完整流程。面對操作流程長,樣本尺寸大、數(shù)量多等困難,如何高通量地獲取神經(jīng)元胞體分布信息,成為了腦科學(xué)研究中急需解決的一個重要問題。針對以上問題,本文系統(tǒng)性地研究... 

【文章來源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：132 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

MOST系列成像方法，分別為MOST、fMOST、2p-fMOST和WVT[66-69]

7華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文圖1.2STP成像方法[70,71]Fig.1.2STPimagingmethods[70,71]21世紀(jì)以來，光片顯微成像技術(shù)由于光學(xué)層析和面掃描等特點(diǎn)，具有高信噪比和高軸向分辨率、低光漂白和毒性、高成像速度等優(yōu)勢，給生物成像領(lǐng)域帶來了迅猛發(fā)展和深刻革命。2004年歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗室Huisken等人發(fā)展的選擇性平面照明成像技術(shù)（SelectivePlaneIlluminationMicroscopy，SPIM）[72]被認(rèn)為是現(xiàn)代光片技術(shù)的開端[48]。利用柱面鏡將激發(fā)光壓成片狀來側(cè)面照明樣本，用物鏡在垂直于照明平面方向上進(jìn)行探測，在10幀的速度下首次展示了長時間成像發(fā)育胚胎的結(jié)果[48]。由于組織對光的散射和吸收，SPIM只能成像相對透明的樣本（如斑馬魚胚胎）。后續(xù)Huisken等人在SPIM基礎(chǔ)上發(fā)展了多角度選擇性平面照明成像技術(shù)（MultidirectionalSelectivePlaneIlluminationMicroscopy，mSPIM），繞其照明焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)更均勻的光片照明，減小組織光散射和吸收帶來的誤差[73]。生物組織對樣本的散射和吸收阻礙了光片顯微技術(shù)用于大樣本成像。針對這一難點(diǎn)，2007年馬克斯·普朗克精神病學(xué)研究所Dodt等人在SPIM基礎(chǔ)上引入兩天左右的樣本光透明處理，采用了雙邊光片照明，命名為超級顯微鏡（Ultramicroscopy）[74]。這種雙邊照明方式減小了光照過程中遇到不透明結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的條帶陰影，提高了成像質(zhì)量。雖然受限于物鏡工作距離只能獲得胞體分辨的成像結(jié)果，但是這種結(jié)合光透明的成像策略展示了光片成像技術(shù)用于大體積樣本成像的潛力，極大地推動了光片成像技術(shù)在生物成像中的應(yīng)用。后續(xù)工作中，研究人員針對光透明技術(shù)中樣本透明程度、熒光標(biāo)記保持效率等方面不斷進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)展了CUBIC、CLARITY以及uDISCO等光透明技術(shù)，結(jié)合光片成像系統(tǒng)通�？梢栽跀�(shù)小時內(nèi)以胞體?

8華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文圖1.3光片照明成像方法，分別為SPIM和Ultramicroscopy[72,74]Fig.1.3Lightsheetilluminationimagingmethods,SPIMandUltramicroscopy,respectively[72,74]2008年華盛頓大學(xué)圣路易斯醫(yī)學(xué)院Terrence等人發(fā)展了物鏡耦合平面照明顯微成像技術(shù)（Objective-CoupledPlanarIlluminationMicroscopy，OCPIM），將光片與樣本表面成45°放置，在頭固定活體小鼠腦組織中實(shí)現(xiàn)了100μm厚度功能鈣信號的記錄[79]。在本文工作開展同期時間，紐約冷泉港實(shí)驗室Narasimhan等人發(fā)展了斜光片斷層成像系統(tǒng)（ObliqueLightSheetTomography，OLST）[80]。引入10天樣本光透明處理，用明膠包埋樣本，單層成像250μm后切除已成像部分，循環(huán)進(jìn)行下一層成像。在0.75×0.75×2.5μm的采樣率下14小時成像完一個小鼠全腦。2017年武漢光電國家研究中心張等人采用40倍數(shù)值孔徑0.8的物鏡來進(jìn)行斜光片照明和探測，結(jié)合樹脂包埋與金剛石刀切削，在大體積樣本上實(shí)現(xiàn)了高分辨特別是高軸向分辨的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)獲取[81,82]。同年，中國科技大學(xué)Wang等人發(fā)展了同步傾斜掃描和讀出體成像系統(tǒng)（VolumetricImagingwithSynchronizedon-the-fly-oblique-scanandReadout，VISoR）[83]，樣本首先被切成300μm厚的腦片進(jìn)行光透明和折射率匹配處理，再按序列擺放進(jìn)行斜光片掃描成像。在0.49×0.49×3.5μm的采樣率下，2小時內(nèi)完成小鼠全腦所有腦片的成像。以MOST為代表的斷層成像系統(tǒng)在大體積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元精細(xì)結(jié)構(gòu)成像。2010年Science在第6005期刊發(fā)表專題評論，評價該技術(shù)創(chuàng)造出迄今為止最精細(xì)的小鼠全腦神經(jīng)元三維連接圖譜[84]�；谶@種策略，如選用低倍物鏡來降低成像分辨率

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Whereto the mega brain projects?[J]. Mu-ming Poo.  National Science Review. 2014(01)
[2]腦網(wǎng)絡(luò):從腦結(jié)構(gòu)到腦功能[J]. 蔣田仔,劉勇,李永輝.  生命科學(xué). 2009(02)
[3]音圈電機(jī)的技術(shù)原理[J]. 張大衛(wèi),馮曉梅.  中北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2006(03)

博士論文
[1]共聚焦熒光顯微光學(xué)切片斷層成像[D]. 齊曉莉.華中科技大學(xué) 2014
[2]雙光子熒光顯微光學(xué)切片斷層成像方法與系統(tǒng)研究[D]. 鄭廷.華中科技大學(xué) 2013
[3]適用于熒光蛋白標(biāo)記大樣本的塑性包埋方法研究[D]. 楊中琴.華中科技大學(xué) 2013
[4]用于繪制高分辨小鼠全腦圖譜的斷層成像系統(tǒng)研究[D]. 李安安.華中科技大學(xué) 2010



本文編號：3209919