終於實現：繪製大腦神經纖維路徑交叉點，創建大腦真3D不難了！

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網（www.bokeyuan.net）

來自德國、荷蘭和義大利的科學家已經開發出一種方法，可以使用散射光來繪製大腦中的神經纖維路徑交叉點，其研究成果發表在《物理評論X》期刊上，研究展示了在透射顯微鏡中光散射以及它在人腦中揭示的東西。人腦研究的一部分，涉及尋找建立構成神經纖維的三維路徑架構工作。這類研究的標準工具是偏振顯微鏡，它可以創建微米解析度的三維圖像。

但這類研究工作的一個失敗點是：交叉點，即一個光纖網絡在物理上與另一個交叉。目前的技術不能確定哪些纖維在頂部，就像高速公路橋一樣，或者纖維是否像鄉村公路那樣簡單地相交。在這項新研究中，研究人員找到了一種前所未有的詳細繪製路徑交叉點的方法。為了克服傳統偏振顯微鏡的缺陷，研究人員在傳統透射顯微鏡中尋找以前沒有研究過的數據。

發現，在顯微鏡下透射光的效果，取決於纖維相對於光傳播方向的角度，研究人員利用這些信息創建了數值模擬，顯示附加信息可以用來區分交叉的面內纖維和指向平面外的纖維。利用從模擬中學到的東西，對實際神經組織進行了額外的顯微鏡研究。在這樣做的過程中，研究人員展示了一種能以前所未有的細節重建腦組織繼代培養的技術，其中包括神經纖維相互交叉時涉及的角度。

研究人員認為，新研究可以通過創建大腦真實3D表示來更好地理解大腦的結構，可能會改進對醫學掃描的解釋，比如MRS，這項新技術也可能在其他應用中有用，比如研究纖維組織樣本。要解開大腦的結構和功能，需要對神經元連接，即神經纖維空間結構有詳細的了解。三維偏振光成像(3D-PLI)是重建三維神經纖維通路最有效的組織學方法之一。

該技術測量腦組織切片的雙折射，並以微米解析度推導出整個人腦切片的空間纖維方向。然而，該技術即使由具有不同取向的纖維組成，對於每個被測量的組織體素也只產生單一纖維取向，因此面內交叉纖維被誤解為面外纖維。當在大腦中生成三維神經纖維結構的詳細模型時，正確檢測和解釋神經纖維交叉是至關重要的。研究利用透射顯微鏡測量中的光散射來識別3D-PLI數據中神經纖維交叉，並演示了散射模式的測量可以解析腦組織的亞結構，如神經纖維的交叉角。

為此，研究開發了一個模擬框架，可以使用時域有限差分(FDTD)模擬和高性能計算來研究透射顯微鏡測量（特別是光散射）在大規模複雜纖維結構(如腦組織)上的測量。模擬不僅用於模擬和解釋實驗觀測，而且還用於開發新的分析方法和測量技術。研究在不同物種（齧齒動物、猴子和人類）腦切片上的各種實驗研究和FDTD模擬中表明，與偏振無關的透射光強度(透射率)隨著神經纖維離面角增加而顯著降低(超過50%)，並且它基本上與面內交叉角無關。

因此，透過率可以用來區分低纖維密度區域和面內交叉纖維區域和平面外纖維區域，解決了3D-PLI中的一個主要問題，並能更好地重建大腦中複雜的神經纖維結構。可見光光譜中的光散射(傾斜照明)揭示了腦組織的潛在結構，如微米解析度的神經纖維交叉角，使得能夠更詳細地重建大腦中的神經纖維交叉點，並開闢了新的研究領域。

博科園｜研究/來自：伊利諾伊大學厄本那-香檳分校

參考期刊《自然》

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