【新技術】透視大腦!新型X射線顯微鏡技術全腦高解析度快速成像

2020-11-28 騰訊網

繪製出大腦所有神經元及其之間的連接,建立精確的大腦圖譜，一直以來是神經科學領域「戰略高地」。這種高解析度的單細胞水平的圖譜可在闡明大腦功能中實現「精準定位」。

電子顯微鏡具有納米級別的超高解析度,但是獲得即使很小的神經環路的三維圖像也需要收集數百萬張圖片,耗費大量的時間。光學顯微鏡成像速度快,但是空間解析度不高。

高能X射線（> 10 keV）由於其強大的穿透力和亞納米波長，因此在採集三維成像具有高時空解析度，滿足觀察神經亞細胞結構的需求。

2020年9月14日哈弗醫學院波士頓兒童醫院Wei-Chung Allen Lee研究團隊在Nature Neuroscience雜誌上發表文章開發出一種新的X射線全息納米斷層掃描(XNH)技術，在亞細胞結構水平上實現快速、大體積結構成像，加速繪製大腦神經環路圖譜。

XNH技術類似於CT斷層掃面，但與標準X射線成像不同。標準X射線成像依賴於光束穿過組織時X射線衰減的差異，而XNH技術根據樣品引起的光束細微相移的變化獲取圖像。此外XNH技術了提高了成像的靈敏度，有助於保護組織樣本免受X射線能量的損壞。

體素尺寸決定三維重構後圖像的解析度，體素尺寸越小，重構後圖像解析度越高，但並不意味著體素尺寸越小越好。研究人員通過計算模型測量出XNH成像技術體素尺寸在30-120納米之間，其解析度在87-222納米之間。

研究人員利用XNH技術對小鼠的皮層進行成像，能夠清晰看到線粒體、內質網、有髓軸突等亞細胞結構。先前的電鏡研究觀察到皮層錐體神經元的頂端樹突淺表皮層接收的抑制性突出輸入比深層皮層要多 ，但由於視野限制，每個樣本量僅限於20個神經元，這個顯然不滿足對複雜、密集神經元結構的成像。

為了能夠更清楚地獲得這些結構，研究人員將XNH技術和電鏡技術進行聯用，共採集3234個神經元形態學，據此揭示了樹突的獨特的結構學特點：距離皮層第2層神經元100微米內的抑制性突觸數量逐漸減少，表明抑制性突觸優勢和興奮性突觸的優勢之間的轉換在空間上「壓縮」了。

儘管XNH技術能夠在數小時內獲得大體積、高解析度的三維圖像，但是處理這些圖像則需要花費數月的時間，顯然這是不划算的。因此，他們基於人工智慧技術開發出針對XNH技術的圖像自動算法CNN，利用該算法可實現快速對密集神經元的形態重構，減少誤差。

神經元實現可視化有助於了解大腦的組織結構原理，不同的神經環路或網絡是如何參與到社會行為中去的。

總的來說，本文開發出一種新型X射線斷層掃描技術，彌補了電子顯微鏡體積小和光學顯微鏡低解析度的缺陷，繪製精密的大腦連接圖譜。

參考文獻：

1.https://medicalxpress.com/news/2020-09-x-ray-microscopy-technique-enables-comprehensive.html

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