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终于实现:绘制大脑神经纤维路径交叉点,创建大脑真3D不难了!

2020/6/30 17:06:59 来源:原创 浏览:

来自德国、荷兰和意大利的科学家已经开发出一种方法,可以使用散射光来绘制大脑中的神经纤维路径交叉点,其研究成果发表在《物理评论X》期刊上,研究展示了在透射显微镜中光散射以及它在人脑中揭示的东西。人脑研究的一部分,涉及寻找建立构成神经纤维的三维路径架构工作。这类研究的标准工具是偏振显微镜,它可以创建微米分辨率的三维图像。

但这类研究工作的一个失败点是:交叉点,即一个光纤网络在物理上与另一个交叉。目前的技术不能确定哪些纤维在顶部,就像高速公路桥一样,或者纤维是否像乡村公路那样简单地相交。在这项新研究中,研究人员找到了一种前所未有的详细绘制路径交叉点的方法。为了克服传统偏振显微镜的缺陷,研究人员在传统透射显微镜中寻找以前没有研究过的数据。

发现,在显微镜下透射光的效果,取决于纤维相对于光传播方向的角度,研究人员利用这些信息创建了数值模拟,显示附加信息可以用来区分交叉的面内纤维和指向平面外的纤维。利用从模拟中学到的东西,对实际神经组织进行了额外的显微镜研究。在这样做的过程中,研究人员展示了一种能以前所未有的细节重建脑组织继代培养的技术,其中包括神经纤维相互交叉时涉及的角度。

研究人员认为,新研究可以通过创建大脑真实3D表示来更好地理解大脑的结构,可能会改进对医学扫描的解释,比如MRS,这项新技术也可能在其他应用中有用,比如研究纤维组织样本。要解开大脑的结构和功能,需要对神经元连接,即神经纤维空间结构有详细的了解。三维偏振光成像(3D-PLI)是重建三维神经纤维通路最有效的组织学方法之一。

该技术测量脑组织切片的双折射,并以微米分辨率推导出整个人脑切片的空间纤维方向。然而,该技术即使由具有不同取向的纤维组成,对于每个被测量的组织体素也只产生单一纤维取向,因此面内交叉纤维被误解为面外纤维。当在大脑中生成三维神经纤维结构的详细模型时,正确检测和解释神经纤维交叉是至关重要的。研究利用透射显微镜测量中的光散射来识别3D-PLI数据中神经纤维交叉,并演示了散射模式的测量可以解析脑组织的亚结构,如神经纤维的交叉角。

为此,研究开发了一个模拟框架,可以使用时域有限差分(FDTD)模拟和高性能计算来研究透射显微镜测量(特别是光散射)在大规模复杂纤维结构(如脑组织)上的测量。模拟不仅用于模拟和解释实验观测,而且还用于开发新的分析方法和测量技术。研究在不同物种(啮齿动物、猴子和人类)脑切片上的各种实验研究和FDTD模拟中表明,与偏振无关的透射光强度(透射率)随着神经纤维离面角增加而显著降低(超过50%),并且它基本上与面内交叉角无关。

因此,透过率可以用来区分低纤维密度区域和面内交叉纤维区域和平面外纤维区域,解决了3D-PLI中的一个主要问题,并能更好地重建大脑中复杂的神经纤维结构。可见光光谱中的光散射(倾斜照明)揭示了脑组织的潜在结构,如微米分辨率的神经纤维交叉角,使得能够更详细地重建大脑中的神经纤维交叉点,并开辟了新的研究领域。

博科园|研究/来自:伊利诺伊大学厄本那-香槟分校

参考期刊《自然》

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