在全腦范圍同時獲取多種結(jié)構(gòu)的高分辨圖譜，對于深入揭示腦功能及阿爾茨海默癥（AD）等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。目前已有的成像技術(shù)和方法在實現(xiàn)大尺度、高分辨率的多種腦結(jié)構(gòu)元素同步成像方面，面臨著巨大挑戰(zhàn)。

2022年4月19日，中科院上海藥物所MOST與圖像融合技術(shù)服務(wù)部在Frontiers in Neuroscience雜志上發(fā)表了題為“High-Resolution Digital Panorama of Multiple Structures in Whole Brain of Alzheimer's Disease Mice”的研究論文。該研究對基于顯微光學(xué)切片斷層成像（Micro-Optical Sectioning Tomography，MOST）系統(tǒng)獲得的全腦Nissl染色數(shù)據(jù)集，設(shè)計出針對相鄰灰度區(qū)間內(nèi)多種結(jié)構(gòu)元素的信息提取及重建策略，首次實現(xiàn)了基于Nissl染色的小鼠全腦Aβ斑塊分布可視化，在同一小鼠全腦中構(gòu)建了Aβ斑塊及其周圍胞體、神經(jīng)樹突、神經(jīng)束和血管的高精度全景圖（圖1）。研究成果為深入理解AD相關(guān)病理狀態(tài)下的大腦解剖結(jié)構(gòu)特征提供了新思路。

圖1 全腦Aβ斑塊及其與多種腦結(jié)構(gòu)的同步可視化。（A-F）6月齡5×FAD小鼠多種腦結(jié)構(gòu)信號的全腦可視化。（A）胞體、血管、神經(jīng)束和斑塊;（B）胞體、神經(jīng)束和斑塊；（C）胞體、血管和斑塊；（D）胞體和斑塊；（E）神經(jīng)束和斑塊；（F）血管和斑塊

新興的全腦成像技術(shù)（如光片照明顯微鏡、STP等）結(jié)合快速發(fā)展的熒光標(biāo)記技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對全腦范圍熒光標(biāo)記的單一結(jié)構(gòu)乃至兩到三個結(jié)構(gòu)的同時成像。但是，由于熒光團(tuán)的光譜重疊和熒光發(fā)射的交叉，尚無法對具有三種或三種以上熒光標(biāo)記的樣本進(jìn)行同時成像。Aβ斑塊沉積是AD的主要病理特征之一。Aβ斑塊周圍存在著神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)、神經(jīng)纖維以及血管等多種腦結(jié)構(gòu)，這些腦結(jié)構(gòu)相關(guān)的淀粉樣血管病變、白質(zhì)病變、腦室擴(kuò)大和腦萎縮等多種病理損傷常見于AD患者的臨床影像中。Aβ斑塊相關(guān)的軸突營養(yǎng)不良、樹突棘丟失和突觸改變、星形膠質(zhì)細(xì)胞足板從血管內(nèi)皮壁分離、膠質(zhì)細(xì)胞招募和激活以及神經(jīng)元死亡等研究結(jié)果也被證實。因此，深入考察Aβ斑塊與其周圍多種腦結(jié)構(gòu)的相互作用對理解AD的病理機(jī)制和進(jìn)展具有重要意義。目前已有多種成像手段揭示了Aβ斑塊的結(jié)構(gòu)和分布特征，也有多通道熒光標(biāo)記等方法觀察到Aβ斑塊對腦結(jié)構(gòu)的影響，但依然缺乏在全腦范圍內(nèi)針對Aβ斑塊及其周圍環(huán)境三維構(gòu)筑的高精度、跨尺度研究。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，基于不同結(jié)構(gòu)在灰度和形態(tài)學(xué)上的差異，MOST結(jié)合全腦Nissl染色方法可以同時提供全腦多結(jié)構(gòu)元素的多重信號。但MOST系統(tǒng)產(chǎn)生的高通量明場圖像數(shù)據(jù)富含高內(nèi)涵信息，且胞體和血管等結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜、分布廣泛；明場圖像與熒光圖像相比，背景也更復(fù)雜、對比度更差；TB級別數(shù)據(jù)量對數(shù)據(jù)存儲、讀取和處理造成的困難等，都在一定程度上限制了MOST技術(shù)在明場成像方面的廣泛應(yīng)用拓展。為此，該研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于灰度值差異和形態(tài)學(xué)特征的多結(jié)構(gòu)提取及重建的可視化方法，并據(jù)此開展多種結(jié)構(gòu)的高精度跨尺度的全腦構(gòu)筑研究。

研究結(jié)果顯示，全腦Aβ斑塊密度最大區(qū)域及大尺寸斑塊分布最密集區(qū)域均為內(nèi)嗅皮層和鄰近的海馬腹側(cè)下托區(qū)域，提示Aβ病理可能最早出現(xiàn)在這些最密集的區(qū)域（圖2）。在全腦范圍，Aβ斑塊分布較密集的區(qū)域通常具有相對較多的胞體且處于血管遠(yuǎn)端，而神經(jīng)纖維束在Aβ斑塊相對稀疏的區(qū)域較為密集。在局部腦區(qū)，皮層區(qū)域可視化和定量分析均顯示Aβ斑塊密集區(qū)靠近胞體豐富的深部區(qū)域，而海馬內(nèi)的Aβ斑塊成層狀分布在錐體細(xì)胞層和顆粒細(xì)胞層附近。在亞微米分辨水平上，海馬輻射層內(nèi)Aβ斑塊周圍的神經(jīng)樹突顯示出明顯的彎曲或截斷，海馬下托的毛細(xì)血管穿過斑塊內(nèi)部或附近，也呈現(xiàn)一定程度截斷或變形，且表面粗糙度高（圖3）。該研究在全腦尺度對Aβ斑塊及其周圍多種精細(xì)結(jié)構(gòu)的解讀，有助于系統(tǒng)性考察AD等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理損傷。針對同一樣本的多種結(jié)構(gòu)信息的準(zhǔn)確提取和精確重建，獲取多結(jié)構(gòu)信號的全局景觀，有助于全面精細(xì)解讀腦組織結(jié)構(gòu)及其功能，為腦疾病相關(guān)病理機(jī)制探究注入新動力。

圖2 全腦三維可視化展示Aβ斑塊的解剖分布。（A）6月齡5×FAD小鼠全腦Aβ斑塊分布的三維側(cè)面視圖。（B）斑塊密度分布的三維熱圖。斑塊密度采用顏色尺度編碼，深藍(lán)為最低密度。（C）不同直徑的斑塊數(shù)量的統(tǒng)計分析。X軸上的顏色按斑塊直徑編碼，根據(jù)不同直徑范圍顯示

圖3 Aβ斑塊周圍神經(jīng)樹突結(jié)構(gòu)異常與血管損傷。（A-C）海馬輻射層的代表性高分辨圖像顯示典型Aβ斑塊及其周圍的神經(jīng)樹突。（D-F）局部展示斑塊和血管的相互作用

本研究發(fā)展的同步可視化方法，不僅適用于小鼠正常及病理情況下的全腦多種結(jié)構(gòu)同步分析，也適合于小鼠的其他組織器官乃至其他更大空間尺度的大鼠、猴以及人類的組織樣本MOST數(shù)據(jù)集的研究分析。

上海藥物所蔣華良院士、高召兵研究員、章海燕研究員及臨港實驗室殷憲振研究員為共同通訊作者，殷憲振研究員及上海藥物所張小川博士、張菁菁博士為該論文的共同第一作者。上海藥物所為第一完成單位。該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金、臨港實驗室專項、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、上海市市級科技重大專項、上海市超級博士后以及中國博士后科學(xué)基金等項目的資助。