骆清铭小组《科学》论文描绘小鼠全脑高分辨率图谱

顾汉现

骆清铭小组《科学》论文描绘小鼠全脑高分辨率图谱


发布时间：2010-11-8 10:07:05


骆清铭小组《科学》论文描绘小鼠全脑高分辨率图谱





（来源：《科学》）

美国当地时间11月5日，第330期《科学》（Science）刊发了题为“显微光学切片层析成像获取小鼠全脑高分辨率图谱”的论文。该论文由华中科技大学武汉光电国家实验室（筹）生物医学光子研究中心骆清铭教授带领的科研组在校完成。

该论文由武汉光电国家实验室（筹）生物医学光子学研究中心的李安安、龚辉、张斌、王青蒂、严程、吴景鹏、刘谦、曾绍群、骆清铭组成的科研组完成。其中，骆清铭教授为责任作者，李安安、龚辉、张斌为共同第一作者。

据介绍，2002年3月，骆清铭就开始带领其科研组，研制显微光学切片层析成像系统，以获取小鼠全脑神经元连接信息。2006年，李安安等人加入研究团队。经过八年的潜心研发，科研组建立了可对数厘米大小样本进行亚微米水平精细结构三维成像的方法和技术，发明并研制了一台显微光学切片层析成像系统。

科研组使用研制的系统，对制备好的鼠脑为样本，全自动连续242小时进行了数据采集，共获得15380层像素分辨率为0.3×0.3微米的冠状断面图像。同时，科研组利用高定位精度的三维移动平台，及在切片中采用对先采取到的信息进行验证分析的方法，对图像准确定位和预处理，实现了突起水平的小鼠全脑结构成像，获得了一套来自同一只老鼠的全脑组织切片图谱。这种介观水平的小鼠全脑神经解剖图谱，为数字化鼠脑结构和脑功能仿真研究提供了重要的基础性实验数据参考。

审稿人评价说，此篇论文内容新颖，会引起从事连接领域研究人员的高度兴趣，论文以方法为主要中心，同时描述了鼠脑高尔基结构三维数据集，是目前最大的也是分辨率最高的鼠脑突起结构数据集。

显微光学切片层析成像系统有望用于构建不同脑疾病鼠全脑的图片，及鼠全脑内血管微循环的精细结构网。结合荧光鼠脑样本技术的进展，还可以高分辨地获得鼠脑功能连接图谱。此外，显微光学切片层析系统可以推广应用到对其他数厘米大小的昆虫、动物的胚胎、局部器官、植物、甚至某些材料等进行高分辨率三维结构成像。

附：

第330期《科学》“每周新闻”（NEWS OF THE WEEK）栏目对该论文发表的“编者按”文章的中文翻译(含更正)

中国的脑图谱工作者绘制出放大的脑神经连接图

克里斯坦·米诺格（Kristen Minogue）

任何在商界的人，或者只是美国电视节目《谁是接班人》的粉丝，都应该知道“连接”的重要性。神经科学家们同样也明白，这也是为什么一个来自中国的研究团队需要竭尽全力地创造出至今为止最精细的小鼠全脑神经元三维连接图谱。该工作目前已在本周的《科学》杂志网络版上发表（文章链接）。研究人员认为，尽管在本次发表的文章中未涉及惊人的发现，但文章中所提供的数据和全新的自动化脑图谱获取仪器将会为未来的研究提供重要基础。

来自洛杉矶南加州大学的神经科学家米哈伊尔·波塔（Mihail Bota）说，要了解脑功能或功能异常，获取神经元间的完整连结图谱至关重要。如果在不清楚这种细胞回路连接的情况下去理解大脑，就好比你想组装一辆汽车，有所有正确的零部件，但不知道它们如何连接：“你不知道信号是如何输入的，也不知道是如何输出的，更不知道信号是如何被处理的”。

这个新的脑图谱项目与近期另外几家单位的工作相似，但没有一家能达到与中国研究成果类似的精细程度。去年，加州的一个研究团队开始对心理学上最著名的失忆人亨利·古斯塔夫·莫莱森（Henry Gustav Molaison）的脑进行切片，希望找到究竟是什么扰乱了他的长期记忆（Science, 26 June 2009, p. 1634）。此外，在2006年，位于华盛顿州西雅图市的艾伦脑科学研究所耗资四千一百万美元获取了一套三维小鼠脑图谱。该图谱记载了细胞水平分辨率的基因表达分布，目前已经以网络数据库的形式向神经科学家开放。

但是上述项目都不具备足够的成像分辨率，无法在全脑范围观察到连接所有神经细胞的轴突和树突。为了完成这个艰巨的任务，在骆清铭的率领下，来自中国华中科技大学武汉光电国家实验室布立顿·强斯生物医学光子学研究中心的研究者们，将传统的切片-扫描技术应用在一种全新的自动模式中。当厘米大小的脑从小鼠体内取出后，先浸泡在染料中进行长达六个月细胞染色，然后脱水和包埋。之后，他们将制备好的鼠脑安装在自主研发的显微光学切片层析成像仪器上切片和成像。该仪器的组成包括一个能对组织进行微米级切片的金刚石刀具，一个光学显微镜，以及一个能连续采集图像的图像采集装置。最终获取了一个总数据量为8万亿字节的小鼠全脑图谱，整个图像采集不间断地连续进行了10天。

来自波士顿大学的神经科学家杰森·布兰德（Jason Bohland）说，揭示大脑中准确的神经连接关系非常重要，因为很多复杂的大脑疾病，比如自闭症或精神分裂症，可能是由大脑内回路连接出现的问题所导致的。他说，神经科学家们越来越强烈的感觉到，社会或语言功能障碍很有可能是由神经细胞之间的连结通路紊乱所引起的。为了在细胞回路水平弄清楚大脑内究竟发生了什么，科学家们需要更加精细的图谱。杰森·布兰德还说，“在脑区上不会出现的复杂行为，在神经回路水平上却会出现”。

艾伦脑科学研究所的神经科学家，凯利·欧瓦里（Kelly Overly）说，这批新的精细图像提供了一个更广阔、更全面的大脑图谱，尽管它更加强调大脑的结构，而不是生物学特征。尽管如此，它仍然可以为更具体、更有针对性的研究提供一个有价值的比较工具。布兰德说，“基于这套数据，人们还可以做很多很多工作。”  

顾汉现

华中科大独家完成最新Science文章


日期: 2010-11-08  





自华中科技大学Britton  Chance生物医学光子学研究中心，武汉光电国家实验室的研究人员获得了大脑神经影像学研究方面的重要进展：利用微光学分层成像法（Micro-Optical  Sectioning  Tomography，生物通译）完成了小鼠大脑的高通量图像。这一研究成果公布在Science杂志上。



领导这一研究的是华中科技大学首批"长江学者奖励计划"特聘教授：骆清铭教授，其早年毕业于西北电讯工程学院，1993年加入华中科技大学，现任博士生导师，华中科技大学副校长。骆教授长期从事信息光电子学与生物医学交叉的学科（生物医学光子学）研究，关注重大疾病（如胰腺癌、Alzheimer  disease  阿尔茨海默氏病）早期诊断与药物研发的光学分子成像研究，以及认知神经活动基本过程的光电成像研究等。



神经解剖学是了解大脑功能和失序症的重要研究工具之一，但是目前现存的成像工具只能在中尺度水平上对大脑神经环路成像。而光学成像方法具备高时间、空间分辨率和多参数的信息获取能力，在神经科学研究中发挥着重要的作用，受到广泛关注。



在这篇文章中，研究人员从光学成像方法中发展了一种微光学分层成像法（Micro-Optical  Sectioning  Tomography，生物通译）工具，这种方法可以完成厘米大小的整个小鼠大脑的微米分层成像，为了解大脑神经功能提供了一种重要的新方法。



研究人员利用这种方法获得了高尔基体染色的整个小鼠大脑中的三维结构数据，从中可以很清楚的分辨出神经突起的轨迹，以及神经元的形状和空间位置。



Britton  Chance生物医学光子学研究中心近年来在生物，光电交叉学科方面获得了许多重要的成果，比如他们曾开发了超分辨光学成像中的高速高精度图像分析方法。



光学显微镜的分辨率受到衍射效应的限制。自1873年以来，200纳米的“阿贝极限”一直被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限。近年，人们在超越衍射极限的成像方法研究中取得了令人瞩目的进展，其中，基于单分子定位的超分辨光学成像技术，获得了高达30~50nm的空间分辨率，为科学研究的诸多领域，尤其是活细胞内动态过程的研究，提供了前所未有的工具。



基于单分子定位的超分辨光学成像显微镜的主要缺陷是成像速度较慢。目前，使用高速高灵敏的探测器和高效的荧光探针，可以将图像采集时间从原来的数小时大大缩短到分钟量级，但是，图像分析过程仍然耗时巨大（0.5~4h）。因此，实验结束很久之后，研究人员才能看到超分辨图像，不能实现实验过程中的参数优化或者实验现象的早期发现与干预。



研究人员建立了一种高速高精度超分辨图像实时处理方法（MaLiang方法）。根据荧光分子光子发射的统计特性，采用最大似然法进行高精度定位，同时利用GPU并行计算的速度优势，在不牺牲成像视场和定位精度的前提下，对超分辨成像实验过程中获得的图像进行实时处理。基于MaLiang方法的快速超分辨光学成像技术，可以用于探索活细胞内多个蛋白质的空间位置、构象变化和相互作用等分子事件（秒量级）。