中科院上海藥物所獲取阿爾茨海默癥模型小鼠全腦Aβ斑塊及其周圍多種結構的高精度全景圖

在全腦范圍同時獲取多種結構的高分辨圖譜，對于深入揭示腦功能及阿爾茨海默癥（AD）等神經系統疾病的發病機制具有重要意義。目前已有的成像技術和方法在實現大尺度、高分辨率的多種腦結構元素同步成像方面，面臨著巨大挑戰。

2022年4月19日，中科院上海藥物所MOST與圖像融合技術服務部在Frontiers in Neuroscience雜志上發表了題為“High-Resolution Digital Panorama of Multiple Structures in Whole Brain of Alzheimer's Disease Mice”的研究論文。該研究對基于顯微光學切片斷層成像（Micro-Optical Sectioning Tomography，MOST）系統獲得的全腦Nissl染色數據集，設計出針對相鄰灰度區間內多種結構元素的信息提取及重建策略，首次實現了基于Nissl染色的小鼠全腦Aβ斑塊分布可視化，在同一小鼠全腦中構建了Aβ斑塊及其周圍胞體、神經樹突、神經束和血管的高精度全景圖（圖1）。研究成果為深入理解AD相關病理狀態下的大腦解剖結構特征提供了新思路。

圖1 全腦Aβ斑塊及其與多種腦結構的同步可視化。（A-F）6月齡5×FAD小鼠多種腦結構信號的全腦可視化。（A）胞體、血管、神經束和斑塊;（B）胞體、神經束和斑塊；（C）胞體、血管和斑塊；（D）胞體和斑塊；（E）神經束和斑塊；（F）血管和斑塊

新興的全腦成像技術（如光片照明顯微鏡、STP等）結合快速發展的熒光標記技術，能夠實現對全腦范圍熒光標記的單一結構乃至兩到三個結構的同時成像。但是，由于熒光團的光譜重疊和熒光發射的交叉，尚無法對具有三種或三種以上熒光標記的樣本進行同時成像。Aβ斑塊沉積是AD的主要病理特征之一。Aβ斑塊周圍存在著神經元、神經膠質、神經纖維以及血管等多種腦結構，這些腦結構相關的淀粉樣血管病變、白質病變、腦室擴大和腦萎縮等多種病理損傷常見于AD患者的臨床影像中。Aβ斑塊相關的軸突營養不良、樹突棘丟失和突觸改變、星形膠質細胞足板從血管內皮壁分離、膠質細胞招募和激活以及神經元死亡等研究結果也被證實。因此，深入考察Aβ斑塊與其周圍多種腦結構的相互作用對理解AD的病理機制和進展具有重要意義。目前已有多種成像手段揭示了Aβ斑塊的結構和分布特征，也有多通道熒光標記等方法觀察到Aβ斑塊對腦結構的影響，但依然缺乏在全腦范圍內針對Aβ斑塊及其周圍環境三維構筑的高精度、跨尺度研究。

研究團隊發現，基于不同結構在灰度和形態學上的差異，MOST結合全腦Nissl染色方法可以同時提供全腦多結構元素的多重信號。但MOST系統產生的高通量明場圖像數據富含高內涵信息，且胞體和血管等結構形態復雜、分布廣泛；明場圖像與熒光圖像相比，背景也更復雜、對比度更差；TB級別數據量對數據存儲、讀取和處理造成的困難等，都在一定程度上限制了MOST技術在明場成像方面的廣泛應用拓展。為此，該研究團隊開發了一種基于灰度值差異和形態學特征的多結構提取及重建的可視化方法，并據此開展多種結構的高精度跨尺度的全腦構筑研究。

研究結果顯示，全腦Aβ斑塊密度最大區域及大尺寸斑塊分布最密集區域均為內嗅皮層和鄰近的海馬腹側下托區域，提示Aβ病理可能最早出現在這些最密集的區域（圖2）。在全腦范圍，Aβ斑塊分布較密集的區域通常具有相對較多的胞體且處于血管遠端，而神經纖維束在Aβ斑塊相對稀疏的區域較為密集。在局部腦區，皮層區域可視化和定量分析均顯示Aβ斑塊密集區靠近胞體豐富的深部區域，而海馬內的Aβ斑塊成層狀分布在錐體細胞層和顆粒細胞層附近。在亞微米分辨水平上，海馬輻射層內Aβ斑塊周圍的神經樹突顯示出明顯的彎曲或截斷，海馬下托的毛細血管穿過斑塊內部或附近，也呈現一定程度截斷或變形，且表面粗糙度高（圖3）。該研究在全腦尺度對Aβ斑塊及其周圍多種精細結構的解讀，有助于系統性考察AD等神經系統疾病的病理損傷。針對同一樣本的多種結構信息的準確提取和精確重建，獲取多結構信號的全局景觀，有助于全面精細解讀腦組織結構及其功能，為腦疾病相關病理機制探究注入新動力。

圖2 全腦三維可視化展示Aβ斑塊的解剖分布。（A）6月齡5×FAD小鼠全腦Aβ斑塊分布的三維側面視圖。（B）斑塊密度分布的三維熱圖。斑塊密度采用顏色尺度編碼，深藍為最低密度。（C）不同直徑的斑塊數量的統計分析。X軸上的顏色按斑塊直徑編碼，根據不同直徑范圍顯示

圖3 Aβ斑塊周圍神經樹突結構異常與血管損傷。（A-C）海馬輻射層的代表性高分辨圖像顯示典型Aβ斑塊及其周圍的神經樹突。（D-F）局部展示斑塊和血管的相互作用

本研究發展的同步可視化方法，不僅適用于小鼠正常及病理情況下的全腦多種結構同步分析，也適合于小鼠的其他組織器官乃至其他更大空間尺度的大鼠、猴以及人類的組織樣本MOST數據集的研究分析。

上海藥物所蔣華良院士、高召兵研究員、章海燕研究員及臨港實驗室殷憲振研究員為共同通訊作者，殷憲振研究員及上海藥物所張小川博士、張菁菁博士為該論文的共同第一作者。上海藥物所為第一完成單位。該研究得到了國家杰出青年科學基金、臨港實驗室專項、中科院青年創新促進會、上海市市級科技重大專項、上海市超級博士后以及中國博士后科學基金等項目的資助。