老鼠大脑成像从微观到宏观的水平

芝加哥大学的研究人员和美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室利用现有的先进的x射线显微镜技术之间的桥梁MRI(磁共振成像)和电子显微镜成像,提供一个可行的管道多尺度全脑成像在同一个大脑。涉及的概念验证演示整个老鼠大脑成像在五个数量级的决议,这一步研究人员说将更好地连接现有的成像方法和发现新的大脑结构的详细信息。

的进步,发表于6月9日科学杂志连接生物标记物,将允许科学家在微观和宏观层面,提高核磁共振成像的分辨率,为电子显微镜提供更大的背景。

“我们的实验室是真正感兴趣的映射,在多个尺度上得到一个公正的描述大脑的大脑是什么样子,”资深作者说Narayanan Kasthuri“鲍比”,医学博士,神经生物学助理教授UChicago和神经科学研究员阿贡。“当我加入这里的教员,我学到的第一件事是,阿贡有极其强大的x射线显微镜,它没有被用于大脑映射,所以我们决定试一试。”

显微镜使用一种叫做synchrotron-based x射线断层扫描成像,可以比作“ct机,”或micro-computerized断层扫描。由于强大的x射线产生的同步加速器粒子加速器在阿贡,研究人员能够形象整个鼠标brain-roughly一立方厘米一微米的分辨率,1/10,000一厘米。花了大约六个小时收集图片整个大脑,加起来大约2 TB (TB)的数据。这是一个最快的方法全脑成像这种级别的分辨率。

MRI可以快速图像跟踪的整个大脑神经束,但该决议并不足以观察单个神经元或他们的连接。在天平的另一端,电子显微镜(EM)可以显示单个突触的细节,但会产生大量的数据,这使得计算挑战看的脑组织体积大于几微米。现有技术为研究神经解剖学的千分尺决议通常只是二维或使用协议与MRI或EM成像是不相容的,因此不可能使用相同的大脑组织成像的鳞片。

研究人员很快意识到,他们的新ct机,或μCT,现有解决方法可以帮助填补这一缺口。“已经有很多人使用核磁共振成像研究,看看整个大脑级别,然后尝试使用EM验证这些结果,但是有一个不连续的决议,”第一作者肖恩Foxley说UChicago博士,研究助理教授。“很难说什么你看到的大量组织核磁共振当你看着一个EM数据集,和x射线可以弥合这一差距。现在我们终于有东西可以让我们看起来在所有水平的无缝的决议。”

结合他们的专业知识在MRI和EM, Foxley Kasthuri,其余的团队选择尝试映射一个鼠标大脑使用这三种方法。“为什么我们选择鼠标的大脑?因为它适合在显微镜下,“Kasthuri笑着说。“但同时,鼠标是神经科学的主力;他们是非常有用的分析不同的大脑中实验条件。”

在收集和保护组织,团队将样品置于核磁共振扫描仪收集整个大脑的结构图像。接下来,它被放在一个旋转阶段μCT扫描仪在先进的光子源,美国能源部科学办公室用户设备,收集感兴趣的特定区域之前CT数据被确定在脑干和小脑的目标。

经过几个月的数据处理和图像跟踪,研究人员认为他们能够利用核磁共振结构标记识别定位特定的神经大脑子组在指定区域,和他们可以跟踪单个细胞的大小和形状的身体。他们也可以跟踪单个神经元的轴突,因为他们经过大脑,并可能从μCT连接信息图像在突触水平与他们所看到的。

团队说,这种方法不仅有利于μCT大脑成像的分辨率,而且对通知MRI和电磁成像。

“与他们的大脑成像一个1毫米的立方体,相当于最低决议核磁共振图像,产生几乎一百万字节的数据,”Kasthuri说。”,只是看一个1毫米的立方体。我不知道发生了什么在接下来的多维数据集,或者下一个,所以我真的没有上下文我看到什么。MRI可以提供一些背景,除了规模太大了,桥。现在这个μCT给我们需要上下文EM工作。”

在天平的另一端,Foxley兴奋这种方法如何通过MRI大脑有利于理解生活。”这种技术给了我们一个很清晰的方式来确定大脑的微观结构的变化当有疾病或受伤,”他说。“现在我们可以开始寻找生物标志物的μCT我们可以追溯到我们看到在MRI大脑生活。x射线在细胞水平让我们看东西,然后我们可以问,什么改变在细胞水平上产生了全球变化的MRI信号在宏观层面上?”

研究人员已经开始使用这种技术在神经科学探索的重要问题,观察小鼠的大脑已经开发阿尔茨海默病转基因是否可以跟踪Ab斑块与μCT MRI扫描可衡量的变化,特别是在疾病的早期阶段。

重要的是,因为这个工作是在国家实验室完成的,这些资源将是开放和自由访问世界各地的其他科学家,使研究人员开始问和回答问题,跨越整个大脑和达到到突触水平。

然而,此刻UChicago团队是最感兴趣的继续完善技术。“下一步是做整个灵长类动物大脑,“Kasthuri说。“老鼠的大脑是可能的,和用于病理模型。但是我真正想做的是让整个灵长类动物大脑成像的每一个神经元和突触连接。一旦我们这样做,我想做一个完整的人类大脑。”