《自然·通讯》发表骆清铭团队成果:具有精细自配准信息的高通量双色全脑连接组成像

2016-07-05

2016年7月4日,《自然·通讯》(Nature Communications)刊发了华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)生物医学光子学功能实验室骆清铭教授团队的研究成果。该论文题为“高通量双色精准成像获取具有细胞构筑标识信息的全脑连接组(High-throughput dual-color precision imaging for brain-wide connectome with cytoarchitectonic landmarks at the cellular level)”。

精准分析神经解剖结构对于理解和认识大脑神经网络的连接方式及协同工作机理,具有至关重要的作用。研究已表明不同功能的神经元具有不同的形态、大小及位置,即使同一类型的相邻神经元在形态与投射路径上也存在差异。因此,精确定位神经元及其纤维的投射路径是准确识别全脑神经结构空间组成的前提条件。传统研究中,为了对神经元和神经环路进行定位,人们只能采用手工操作的方式,先将完整脑切为薄片、再对每一张脑片分别进行成像,最后将成像结果与参考脑图谱进行对照,确定感兴趣图像所在的位置。这种做法不仅耗时费力,而且对于需要在全脑范围获得每一个神经元的连接路径而言,无疑是有着明显的缺陷,即完整脑被分离为多张图片,在后期图像重建时难以准确实现神经纤维的连接关系;并且将脑组织图像与参考脑图谱相配准,忽视了个体差异可能造成的定位误差。

华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)骆清铭团队另辟蹊径,提出了一种称为全脑定位系统(Brain-wide Positioning System,BPS)的全自动显微成像方法,在单细胞水平能够解析及定位全脑神经结构。该方法主要包括两种新技术:在全脑成像的同时进行细胞构筑的实时染色;具有宽场大容积层析成像特点的高通量多通道全脑显微成像系统。利用BPS方法,可以在3天内以0.32 × 0.32 × 2.0 微米的体素分辨率,获取鼠脑内荧光标记的神经元及其共定位细胞构筑的全脑数据集。BPS方法不仅将单神经元水平获取小鼠全脑连续图像的时间,从十几天缩短到三天,而且可以同时在细胞水平获取每个神经元的解剖坐标。

该团队提出了实时复染的新概念,具有简单和准确的特点。无需额外的样本准备,利用细胞构筑染料的低渗透率实现了待成像表面细胞的实时复染,取代了生物学中常用的复染完整全脑的做法,这一策略还避免了来自深层组织的背景荧光干扰。通过对同一视场的荧光标记神经元与细胞构筑的同时成像,无需再做解剖定位和双通道图像的配准,既具有准确的优势,又可以节省大量的时间,直接得到全脑连接组的精确三维图像结果。这一概念还可以推广到其他基于机械切削的全脑光学成像技术,如STP和fMOST技术等。

该团队所发展的高通量成像技术,有效地缩短了单神经元分辨水平的全脑光学成像数据获取的时间。数据获取时间是决定全脑光学成像能否成为常规神经生物学研究工具的重要因素。目前高分辨率的全脑光学成像技术都是采用点扫描的成像方式,难以提高成像通量。我们利用宽场成像的通量优势以及结构光照明对焦外背景的抑制作用,实现了快速完成完整鼠脑的高分辨率体成像。利用BPS获取的全脑成像数据集具有高连续性和高分辨率的特点,因此可以在全脑范围重现神经环路的投射路径,以及追踪神经元的精细形态,包括树突、树突棘、轴突和终扣等。

利用具有高通量和自配准特点的BPS技术,该团队在文章中展示了4套不同类型神经元及其投射的双色全脑成像数据集,并辅以多张结果图和动画,证明其技术特点和示范其应用范围。该技术不仅可以用于准确定位神经元和定量分析其三维精细形态,还可以借助于细胞构筑信息,识别出单个神经元或特定功能神经环路的投射所途径的核团与脑区。研究人员称,这一方法有望加速未来细胞水平的脑连接图谱研究,实现从二维图谱向精准个性化的三维图谱发展,将助力细胞类型、环路连接等方面的研究。

此项工作由华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)生物医学光子学功能实验室龚辉(并列一作)、许冬力(并列一作)、袁菁、李向宁、郭聪迪、彭杰、李宇昕、Lindsay A. Schwarz(美国斯坦福大学)、李安安、胡碧荷、熊本义、孙庆涛、张亚伦、刘杰鹏、钟秋园、许彤辉、曾绍群和骆清铭(通讯作者)共同完成。

该研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金以及武汉光电国家实验室(筹)主任基金等项目的支持。

全文链接:http://www.nature.com/ncomms/2016/160704/ncomms12142/pdf/ncomms12142.pdf

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