神經(jīng)元是大腦的基本結(jié)構(gòu)和功能單元,是腦研究的關(guān)鍵所在。基于時(shí)間延遲積分相機(jī)的熒光顯微切片成像系統(tǒng)(TDI-fMOST)是本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的顯微光學(xué)成像系統(tǒng),結(jié)合熒光蛋白的化學(xué)重激活方法,可實(shí)現(xiàn)高精度,高通量的生物組織成像,為神經(jīng)科學(xué)研究提供了豐富的研究素材。利用TDI-fMOST系統(tǒng)鼠腦熒光圖像來研究單個(gè)神經(jīng)元的完整形態(tài)及其投射是本實(shí)驗(yàn)室研究的方向之一。為了便于單個(gè)神經(jīng)元的解析和追蹤,鼠腦樣本采用稀疏標(biāo)記的策略,但稀疏標(biāo)記會(huì)導(dǎo)致單個(gè)鼠腦中感興趣的特定類型神經(jīng)元數(shù)量不足,無法進(jìn)行深入的形態(tài)學(xué)和投射類比分析。因此,對(duì)三維鼠腦熒光圖像進(jìn)行配準(zhǔn),把不同鼠腦中被標(biāo)記的神經(jīng)元映射到同一個(gè)參考鼠腦中進(jìn)行相應(yīng)的可視化與類比分析是非常重要的。本文針對(duì)TDI-fMOST系統(tǒng)數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)了一套完整的三維鼠腦熒光圖像的配準(zhǔn)方法:先對(duì)三維鼠腦熒光圖像進(jìn)行圖像的預(yù)處理,包括圖像的降采樣和投影、手工去除雜質(zhì)干擾信號(hào)、滾球法背景歸一化等。再以互信息為相似性測(cè)度,基于輪廓提取對(duì)鼠腦熒光圖像進(jìn)行線性的全局剛性配準(zhǔn),基于Demons對(duì)稱微分同胚算法對(duì)鼠腦熒光圖像進(jìn)行非線性的局部精細(xì)配準(zhǔn)。同時(shí),本文在信息學(xué)和生物學(xué)角度上對(duì)三維鼠腦熒光圖像的配準(zhǔn)質(zhì)量作了客觀評(píng)價(jià),先用相似性測(cè)度分析法對(duì)配準(zhǔn)前后的圖像相似度進(jìn)行分析,再用區(qū)域占比法對(duì)顯著腦區(qū)的分割質(zhì)量作定量的評(píng)估。在上述基礎(chǔ)上,本文應(yīng)用圖像配準(zhǔn)的變換參數(shù)將不同鼠腦中同種類型的神經(jīng)元映射到同一個(gè)參考鼠腦內(nèi),為進(jìn)一步的神經(jīng)元可視化與類比分析研究提供了基礎(chǔ)。通過本文的研究,成功的設(shè)計(jì)了一套可行的三維鼠腦熒光圖像配準(zhǔn)方法,該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)鼠腦外輪廓以及顯著腦區(qū)較好的配準(zhǔn),且已經(jīng)在神經(jīng)元映射及其三維可視化對(duì)比分析中有了初步的應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.41;R338
【部分圖文】：

人發(fā)展了一種全腦定位系統(tǒng)（Brain-wide Positioning System, BPS）結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)可以連續(xù)追蹤獲取全腦尺度的長程投射，在單細(xì)胞水平解析定位全腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)[14]。利用 TDI-fMOST 系統(tǒng)成像技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)室成功的獲取了轉(zhuǎn)基因熒光小鼠高分辨率三維全腦熒光圖像數(shù)據(jù)集[15]，為神經(jīng)科學(xué)中進(jìn)一步揭示大腦內(nèi)神經(jīng)元連接及回路的構(gòu)成提供了豐富的研究素材。神經(jīng)元的投射和神經(jīng)回路的構(gòu)成[16]一直是神經(jīng)科學(xué)中研究的重點(diǎn)，不同類型的神經(jīng)元組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞與細(xì)胞之間通過突觸連接相互溝通，復(fù)雜的神經(jīng)回路中精準(zhǔn)的信息傳遞造就了我們?nèi)祟惖倪\(yùn)動(dòng)、感覺、行為和認(rèn)知。神經(jīng)元的投射模式并不單一，有一對(duì)一的投射，一對(duì)多的投射，也有多對(duì)一的投射[17]。神經(jīng)元的投射模式與神經(jīng)元的類型和功能有關(guān)。圖 1.1 給出了神經(jīng)元投射的三種模式，其中紅色是抑制性 GABA 能中間神經(jīng)元的一對(duì)一投射，藍(lán)色是興奮性多巴胺能神經(jīng)元的一對(duì)多投射，而綠色描述了興奮性谷氨酸能神經(jīng)元的多對(duì)一投射。

2.1 TDI-fMOST 系統(tǒng)及其圖像采集過程簡介基于時(shí)間延遲積分相機(jī)的熒光顯微切片成像系統(tǒng)（TDI-fMOST）是本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的光學(xué)顯微成像系統(tǒng)，結(jié)合熒光蛋白的化學(xué)重激活方法，可大幅消除下層熒光對(duì)樣品焦面處信號(hào)的影響，通過先成像再切削的成像模式實(shí)現(xiàn)單次成像范圍較雙光子等顯微鏡的顯著提升，可用于快速，大范圍，高分辨率的多色體積成像，在全腦范圍神經(jīng)元精細(xì)連接和腦圖譜研究方面有廣闊的應(yīng)用前景。TDI-fMOST 系統(tǒng)由線掃描成像、精密切削和自動(dòng)控制三部分構(gòu)成[13]。線光斑照明和基于時(shí)間延時(shí)積分相機(jī)（TDI-CCD）的探測(cè)共同實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的線掃描成像。精密切削部分主要包括金剛石刀和三維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。自動(dòng)控制部分包括時(shí)間延時(shí)積分相機(jī)的數(shù)據(jù)采集控制程序和三維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制程序。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文一行時(shí)，它不會(huì)直接輸出由該行收集的信號(hào)，而是把積分電荷隨之位移并疊加，將信號(hào)進(jìn)行積分，這樣很大幅度提高了信號(hào)強(qiáng)度，即提高相機(jī)的探測(cè)靈敏度和信噪比。TDI-CCD 是多個(gè)線陣列 CCD 的并聯(lián)，會(huì)對(duì)同一個(gè)物體進(jìn)行多次曝光，延長信號(hào)采集時(shí)間，且由于延時(shí)積分機(jī)制的存在，圖像沿積分方向受到光照不均的影響被消除，這種運(yùn)動(dòng)條帶成像模式相較于馬賽克拼接成像模式具有成像速度更快的優(yōu)勢(shì)。其工作原理如圖 2.3 所示。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2840493