骆清铭团队发表关于小鼠全脑精细血管立体定位图谱的研究成果-Britton Chance 生物医学光子学研究中心 | Britton Chance Center for Biomedical Photonics




研究进展

新闻类别:研究进展
2017-12-23

骆清铭团队发表关于小鼠全脑精细血管立体定位图谱的研究成果

脑是血管极为丰富的器官,全身总耗氧量的四分之一都是用于维持神经的活动。有研究表明,如果阻断血管的血液供应,几秒后神经元就会停止发放动作电位,几分钟就会导致永久性的神经损伤。一些常见的脑部疾病,如中风、老年痴呆症和肿瘤等也都伴随着脑血管结构的异常。

脑血管的形态特点是迂曲易变,血管之间通常互相交错,所以需要三维的图像才能展现复杂的血管解剖关系。在生物医学领域广泛应用的CT和MRI等三维影像技术由于分辨率较低,无法分辨直径仅为数微米的毛细血管。近些年发展的三维光学显微成像技术,虽然能分辨毛细血管,但受限于光的散射和吸收,成像深度有限,其研究仍然局限在局部脑皮层区域。

针对这一重大需求,华中科技大学武汉光电国家研究中心骆清铭团队潜心十年,自主研发了显微光学切片断层成像技术(Micro-Optical Sectioning Tomography,MOST),实现了连续获取亚微米分辨率的完整小鼠脑神经图谱数据,相关工作于2010年发表于《Science》。随后,该团队建立了小鼠全脑的尼氏染色和树脂包埋方法,利用MOST技术以体素1微米分辨率,同时获得了小鼠全脑细胞和血管的图像,发展了识别和分割细胞和血管的图像处理方法,相关工作于2014年发表于《NeuroImage》。通过上述代表性研究,该团队建立了获取、处理和分析脑血管数据的技术体系,为构建哺乳动物全脑精细血管立体定位图谱奠定了基础。

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用MOST成像技术获取的小鼠脑冠状面和重建的血管图

2017年12月19日,《神经解剖学前沿》(Frontiers in Neuroanatomy)在线发表了骆清铭团队有关脑血管图谱的研究成果。该研究以MOST成像技术获取的五套尼氏染色小鼠全脑数据集为基础(体素分辨均为0.35μm×0.35μm×1μm,毎个鼠脑采集了一万张冠状面,五个鼠脑总数据量是10TB),首次在全脑范围内系统性构建和标识出包含动脉、静脉、微动脉和微静脉的精细脑血管图谱。研究不仅对完整血管树进行了三维重建,而且利用同一鼠脑的细胞构筑图像提供的解剖结构信息,在单细胞水平实现了血管分支起点的立体定位。借助高分辨的血管重建数据,发现了许多之前未曾报道的静脉分支,并按通行的命名规则给予了命名。此外,进一步定量分析了动脉、静脉血管与脑区的连通性及供血关系,有助于直观了解动脉血是经过哪些血管分支输送到了特定脑区/核团,供能后的静脉血又是如何被收集、汇聚。该图谱将为脑功能和脑疾病的研究提供重要的基础性资源数据库。

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小鼠全脑静脉血管的树形结构图。黑色和蓝色分别为曾在小鼠和大鼠研究中已报道过的分支,红色为本研究新发现的分支。

论文标题为“小鼠全脑精细血管立体定位图谱”(Precise Cerebral Vascular Atlas in StereotaxicCoordinates of Whole Mouse Brain),华中科技大学为唯一作者单位,博士生熊本义为论文的第一作者,共同作者还有李安安、娄阳、陈尚宾、龙犇、彭杰、杨中琴、许彤辉、杨孝全、李向宁、江涛和骆清铭,龚辉教授为通讯作者。本工作得到国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ030260),国家自然科学基金(91432105, 91432116),国家自然科学基金创新研究群体科学基金(61421064)的资助。