第一個全息大腦「圖譜」的建立,或極大促進神經解剖和腦外科!

2021-01-09 腦科學君

在科研和臨床中，應用三維形式進行描記的腦灰質組成的部分軸突通路具有廣泛的應用價值。近年來，繪製人類結構連接圖的研究主要集中在腦脊髓束追蹤， 它是通過處理擴散加權成像的數據得出的結果。但神經束追蹤是一種間接方法，存在諸多局限性。

全息可視化平臺的發展為解剖學數據的整合提供了一種新的媒介，同時也為神經解剖學家和腦成像科學家之間的協作互動提供了一個新的工作環境。因此，研究人員開發了第一個用於構建軸突通路的全息界面，將人類組織和結構MRI數據填充其中，並召集了世界上的神經解剖學專家，交互地定義皮層、基底神經節和小腦系統的軸突軌跡。

這種先進的可視化硬體、軟體開發和神經解剖學數據的混合，使數十年積累的知識轉化為人類軸突通路圖譜，可用於教育、科學或臨床研究。

圖1：凱斯西儲大學的科學家和技術人員使用Microsoft HoloLens混合現實平臺，創建了第一個以軸突通路為聯繫的人腦交互式全息圖繪製系統。

例如，在深部腦刺激（DBS）外科手術中，它可能立即成為「新型全息神經外科手術導航系統的基礎」，Cameron McIntyre稱為「 HoloDBS」。McIntyre目前是凱斯西儲大學醫學院生物醫學工程Tilles-Weidenthal教授的首席研究員。

McIntyre說：「到目前為止，已有100多名臨床醫生進行beta測試，並且該技術的周邊應用也異常出色。」他補充說，這種方法已經在極大地促進了科學家對於某些相當複雜的腦外科手術的理解。

圖2來源：凱斯西儲大學

這項新研究整合了數十個有價值的，但相互獨立的神經數據。這些數據有數十個來源，我們將其轉換為完全三維和交互可視化的形式。該技術的用戶，包括神經工程師，神經解剖學家，神經病學家和神經外科醫生，都可以通過HoloLens頭戴式耳機看到大腦的動畫「圖譜」，並且還可以看到內在的軸突連接。

McIntyre說：「最酷的是，我們已經能夠將數十年的神經解剖學知識整合到最現代的大腦可視化技術中。」「我們正在利用所有的解剖學知識，並以一種全新且有用的形式將其交付給用戶。

McIntyre與放射學教授Mark Griswold一起工作，Mark Griswold是Microsoft HoloLens教育相關計劃的教職負責人，並領導著互動式共享區（Interactive Commons）。他的工作之一是幫助教職員工和學生使用一系列可視化技術來加強教學和研究。Griswold還領導了團隊開發了HoloAnatomy應用程式。

該項目的其他成員包括McIntyre實驗室的博士後研究員Mikkel Petersen，以及來自羅切斯特大學、魁北克市拉瓦爾大學、埃默裡大學和匹茲堡大學等世界各地的神經解剖學家。

▎建立一個全息大腦模型的過程

圖3：(a)皮層表面模型轉換成與Unity兼容的格式(.obj)。(B)皮層下分區轉化為.obj。(C)MRI數據從nifti數據轉換為.tiff。(D)來自大腦結構和分區的數據統一兼容地在微軟HoloLens系統中顯示出來。米黃色的部分是皮質； 綠色的部分是尾狀核； 橙色的部分是殼核；黃色的部分是丘腦。

▎通路生成過程

圖4：(A)來自Morel圖譜的組織學數據(Morel, 2007;Gallay等人，2008)。(B)組織學數據符合CIT 168腦圖譜(Pauli et al.， 2018)。(C)利用MRI、組織學和既往文獻的信息生成初步的通路軌跡。(D)生成每個通路的平均軌跡。(E)初步形成了流線型神經束。(F)通過使用HoloLens系統，與神經解剖學家的全息交互，這些通路被可視化、討論和編輯。(G)確定通路。

研究人員目前專注於研究丘腦下部的區域，這是深部大腦刺激的常見手術靶點。但對於目前最好的技術（稱為纖維束重建），應用在腦區描繪確實存在很大問題。該項目著重於可視化大腦中精確的軸突傳遞。軸突尋路是神經發育的一個子領域，它研究神經元如何發出軸突到達大腦中正確的目的地。

圖5：頂部一行顯示的是位於皮層的感興趣(ROIs)，他們用來參與皮層通路的生成。隨後幾行分別是運動區、前額葉、丘腦和基底節神經通路。流線形束是基於圖例的彩色編碼。黃色的部分是丘腦； 綠色的部分是下丘腦； 深藍色的部分蒼白球內側核； 淡藍色為蒼白球外側核； 深綠色的部分為尾狀核； 紅色的部分為紅核。

以揭示人腦內部色彩斑斕「的「腦纖維束」而聞名的追蹤術已在醫院中使用了近20年。它使用擴散MRI收集的數據直觀地表示大腦中的神經束，並在稱為擴散MRI的二維和三維圖像中呈現信息。凱斯西儲大學的研究團隊不僅做到真正的三維可視化，並且專業的神經解剖學家通過HoloLens頭戴式耳機 「交互地定義皮質，基底神經節和小腦系統的軸突軌跡」。

McIntyre說：「以這樣的方式，我們產生了人類丘腦下區域主要軸突通路的第一個解剖學現實模型。這僅僅只是第一步，我們可以在其他腦區中重複進行。」

參考文獻：

Mikkel V. Petersen et al. Holographic Reconstruction of Axonal Pathways in the Human Brain, Neuron (2019). DOI: 10.1016/j.neuron.2019.09.030

編譯作者：Chole Full/Simon（brainnews創作團隊）

本文為brainnews團隊原創作品

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