Neurosci Bull|深圳先进院团队周鹏程/徐放/毕国强团队报道大型哺乳动物全脑介观图谱绘制三维成像技术

学术   2024-11-19 00:00   上海  

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来源神经科报学通

责编︱王思珍


哺乳动物的大脑在神经元形态和连接上呈现了跨尺度的复杂性,因此在全脑大范围对单个神经元在介观尺度(~微米分辨率)进行高分辨率形态重建是理解大脑结构基础的必要条件。目前,相关脑图谱的绘制高度依赖大尺度三维荧光显微成像技术,在成像分辨率和成像速度有极高的要求。


研究人员前期基于光片成像原理,开发了多维同步飞扫荧光显微成像技术(VISoR),并结合了组织切片和透明化成像,从而实现了非人灵长类动物全脑介观快速成像。然而,受限于照明光片的厚度,VISoR成像结果存在轴向分辨率(> 3微米)显著低于径向分辨率(< 1微米)的问题,进而严重限制了它在解析神经元的亚微米尺度的精细结构。


近日,中国科学院深圳先进技术研究院周鹏程/徐放/毕国强团队在Neuroscience Bulletin期刊上发表了题为IsoVISoR: Towards 3D Mesoscale Brain Mapping of Large Mammals at Isotropic Sub-micron Resolution的文章。为了解决这一问题,研究人员从成像与图像处理两个方面进一步扩展了VISoR技术,在不显著增加成像时间的基础上,开发了可以实现各向同性的亚微米分辨率成像的IsoVISoR技术。


IsoVISoR的核心在于多视角成像与基于深度学习的图像重建算法。如图1所示,研究人员设计了基于VISoR的四视角成像方法,通过计算重建可以融合不同视角图像在轴向上的互补信息,从而实现分辨率提升。为了解决传统重建方法速度慢和精度低的问题,研究人员开发了深度学习重建方法,并网络训练中集成了成像过程的显式建模以及模拟了大量不同的成像条件,从而保证了训练网络在不同数据上的泛化性。此外,研究人员还利用这些重建结果作为监督信号,训练从单视角图像到各向同性图像的增强网络,该增强网络可以直接以数字方法将单视角的VISoR图像提升至接近各向同性的水平。

1 IsoVISoR技术概览。A,B IsoVISoR多视角成像示意图。C IsoVISoR图像处理整体流程。


2  IsoVISoR图像重建和增强效果展示。A,B 增强前单视角图像传统去卷积方法、IsoVISoR单视角增强图像和四视角重建图像的对比。A 荧光尼氏染色(Neurotrace 640)和DAPI染色的胞体图像。B Thy-1 GFP神经元树突图像。C IsoVISoR对临近神经纤维分辨能力提升的展示。


文章结论与讨论,启发与展望

通过在不同类型的脑样品上进行测试, IsoVISoR技术能够有效提升轴向分辨率,解决了大型哺乳动物全脑结构图谱绘制中的重要瓶颈问题。同时在下游的细胞分割与神经元追踪任务中,ISoVISoR可显著提升结果的准确性。另外,所开发的ISoVISoR方法也可以直接应用到其它光片成像技术中。


原文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-024-01316-w


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