【摘要】：正如美國總統(tǒng)奧巴馬2013年在一次新聞發(fā)布會(huì)上所說,“我們可以探索數(shù)光年之外的星系,卻對(duì)兩只耳朵之間三磅重的大腦知之甚少”。腦神經(jīng)回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,一個(gè)簡單的腦功能往往需要多個(gè)類型的腦神經(jīng)回路共同作用,在全腦范圍內(nèi)獲取神經(jīng)回路結(jié)構(gòu)圖是理解腦功能和腦疾病的基礎(chǔ)。熒光標(biāo)記技術(shù)已成為特異性標(biāo)記功能腦神經(jīng)回路的重要工具,國際上,使用熒光標(biāo)記結(jié)合光學(xué)成像的方法在解析局部神經(jīng)回路上取得了較大的進(jìn)展,但是以微米分辨率在全腦尺度獲取和追蹤長程的神經(jīng)回路缺乏仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。 如何以微米高分辨率成像厘米尺度的熒光標(biāo)記的全腦神經(jīng)回路,是高分辨獲取全腦神經(jīng)回路的三維熒光結(jié)構(gòu)圖的難點(diǎn)之一。顯微光學(xué)切片斷層成像系統(tǒng)(MOST)已完整獲取亞微米分辨的厘米尺度的小鼠全腦圖譜,但是MOST是基于吸收的寬場反射成像,當(dāng)進(jìn)行熒光成像時(shí)會(huì)遇到較大的背景熒光干擾,惡化了空間分辨率和信噪比。針對(duì)這個(gè)問題,本文提出以共聚焦方式在刀面上實(shí)現(xiàn)光學(xué)層析,以抑制MOST熒光成像的高散射背景熒光干擾,從而實(shí)現(xiàn)了高分辨率熒光MOST成像；引入共聚焦掃描成像的熒光MOST為點(diǎn)掃描成像,相對(duì)原來寬場線掃描的方式,掃描速度明顯下降,不利于全腦尺度的大體積成像。本文探討了適用于MOST熒光共聚焦成像的不同快速掃描原理的可能性,并最終選用了聲光原理的無慣性掃描實(shí)現(xiàn)快速高穩(wěn)定地掃描。為進(jìn)一步提高掃描通量,本文提出通過縮束擴(kuò)大掃描角,提高了線性啁啾掃描時(shí)的視場而不損失其成像速度,保證了高通量地快速成像；掃描器聲光偏轉(zhuǎn)器在快速啁啾掃描時(shí)產(chǎn)生了像散,惡化了空間分辨率。本文分析了像散產(chǎn)生的原因以及對(duì)成像分辨率的影響,使用長焦距柱透鏡補(bǔ)償了像散的同時(shí)減低了透鏡位置敏感性和調(diào)節(jié)難度,從而保證了亞微米的光學(xué)空間分辨率。 以高信噪比成像單根軸突的長程投射,是高分辨獲取全腦神經(jīng)回路的三維熒光結(jié)構(gòu)圖的另一難點(diǎn)問題�；诠簿劢沟臒晒釳OST成像是在刀具切削樣本的同時(shí),在刀面上對(duì)薄片樣本進(jìn)行點(diǎn)掃描線探測的特殊的成像結(jié)構(gòu)。本文系統(tǒng)分析了基于共聚焦的熒光MOST成像中信噪比的影響因素,提出了針對(duì)本系統(tǒng)的提高信號(hào)強(qiáng)度,減少背景熒光激發(fā)和減少背景熒光探測的方法,得到了系統(tǒng)最優(yōu)的信噪比,保證了在大體積范圍內(nèi)清晰成像單根軸突。為了減少背景熒光激發(fā),本文研究了系統(tǒng)特殊的刀面上成像結(jié)構(gòu),使用三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)模型對(duì)刀面激光光錐被抬高距離與成像信噪比的關(guān)系進(jìn)行了仿真模擬研究,發(fā)現(xiàn)通過在刀面上一定高度位置的成像,實(shí)現(xiàn)了把激發(fā)光錐抬高,一定程度分離了焦面薄片樣本和下層背景熒光樣本塊,減少了背景熒光的激發(fā)。結(jié)合了共聚焦層析后,能夠在普通共聚焦顯微成像基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高成像信噪比和軸向分辨率。部分切片伸出刀外產(chǎn)生毛邊,探測時(shí)受背景熒光干擾淹沒在噪聲中,造成了相鄰切片間的連接信息丟失,本文通過探索優(yōu)化的狹縫寬度減少了背景熒光的探測,去除了伸出刀外毛邊的大部分的背景熒光干擾,恢復(fù)了相鄰切片間的連接信息,保證了大體積數(shù)據(jù)的完整性。 在上述工作基礎(chǔ)上,本文發(fā)展了一套高穩(wěn)定和自動(dòng)化的共聚焦熒光顯微光學(xué)切片斷層成像系統(tǒng)(Confocal Fluorescence Micro-Optical Sectioning Tomography, Confocal-fMOST)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)機(jī)模式的高穩(wěn)定可靠的掃描成像程序,實(shí)現(xiàn)了掃描成像和切削運(yùn)動(dòng)的精確同步,對(duì)于系統(tǒng)關(guān)鍵部分的軟硬件進(jìn)行了穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與測試。本系統(tǒng)可對(duì)樣本體積達(dá)到28cm×4.5cm×2cm立方厘米的樣本實(shí)現(xiàn)1微米體素分辨率(1μm×1μm×1μm)的熒光成像,并能保持10天以上24小時(shí)不間斷的穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了在10天以內(nèi)完成一只完整小鼠全腦神經(jīng)回路的數(shù)據(jù)獲取。通過對(duì)小鼠全腦范圍內(nèi)的胞體和神經(jīng)突等結(jié)構(gòu)進(jìn)行高信噪比和高三維空間分辨率的成像,本系統(tǒng)成功獲取了一套Thy1-eYFP-H轉(zhuǎn)基因小鼠的全腦數(shù)據(jù)集,利用所獲取的數(shù)據(jù)集在世界上首次實(shí)現(xiàn)了在小鼠全腦范圍內(nèi)追蹤單根軸突的長程投射。該系統(tǒng)以微米級(jí)體素分辨率和長時(shí)間高穩(wěn)定成像能力,為探索局部和長程神經(jīng)回路提供了重要研究手段,展現(xiàn)了其在神經(jīng)科學(xué)研究應(yīng)用中的巨大潛力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R318

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 蔣田仔;劉勇;李永輝;;腦網(wǎng)絡(luò):從腦結(jié)構(gòu)到腦功能[J];生命科學(xué);2009年02期

2 ;Information for Contributors[J];Optoelectronics Letters;2010年01期

3 董孝義,高希才;聲光學(xué)及其應(yīng)用講座 第一講 聲光互作用物理基礎(chǔ)[J];壓電與聲光;1989年01期

4 高希才,董孝義;第五講 基礎(chǔ)聲光器件[J];壓電與聲光;1990年01期

5 董孝義,高希才;第二講 聲光布喇格衍射[J];壓電與聲光;1989年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 李安安;用于繪制高分辨小鼠全腦圖譜的斷層成像系統(tǒng)研究[D];華中科技大學(xué);2010年

2 呂曉華;隨機(jī)掃描雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)研究[D];華中科技大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：2387533