全脑精细成像技术——fMOST技术

技术简介

        理解脑功能的机理，需要获取神经元的完整形态以及全脑神经元结构图谱，因此，发展全脑精细成像的方法至关重要。全脑成像工作原理类似用卫星给地球做全景扫描，其空间分辨精度达到亚微米级，不足一根头发丝粗细的1/60。利用光学成像手段，不仅可以看到局部神经连接，还能在全脑范围观察构建神经网络的三维“公路”和“铁路”。

        华中科技大学骆清铭教授团队发明的显微光学切片断层成像（Micro-Optical sectioning tomography，MOST）系统是一种基于机械切削的全脑成像系统，该系统利用成像系统对样本表面进行成像，利用切片机对塑性包埋的样本进行表面组织切除，继续对新的表面成像，最终实现了轴向分辨率为1um的完整鼠脑数据集的采集。MOST 系统相对应的样本类型是尼氏和高尔基染色的非荧光标记的样本。针对荧光标记样本，骆教授团队发展了一系列的荧光显微镜光学切片断层成像系统（fMOST），包括单光子fMOST、双光子fMOST以及基于结构光照明的全脑精准成像系统（brain-wide positioning system,BPS）。其中，单光子fMOST和双光子fMOST系统采用点扫描的成像方式，成像时间长；BPS 系统采用结构光照明模式，成像速度快，切削和成像分离，成像使用汞灯作为光源，因此，可以在全脑实现快速高分辨成像，不仅能满足神经环路水平的成像，还能满足神经元精细形态的获取。

        各类MOST系统都是面向哺乳动物全脑大样本、全自动运行的仪器，解决了以往神经科学实验中依靠手工操作、图像不连续、成像范围小、空间分辨率低、通量小、信息不完整等问题，将研究水平从局部平面成像，提升到全脑三维信息的获取。

全脑成像技术的应用

        根据研究目的的不同，全脑成像可以分为组织水平、突起水平和轴突水平的成像。组织水平成像以断层厚度约在数十至百微米水平进行三维重建为目的，建立结合振动切片方式的全自动快速显微光学成像系统，以及光片照明成像系统。可获取荧光标记的特定类型神经元在全脑的分布信息、神经投射信息，以及对样本切片收集后，继续做免疫学检测。共聚焦显微镜系统和全自动快速显微光学成像系统目前可以实现仅用一天时间完成小鼠全脑细胞的荧光分布和强度的图像采集。

        突起水平成像以在大体积、甚至全脑范围获取长程或局部神经环路高分辨结构信息为目的，建立具有亚微米分辨率的结构光照明荧光显微成像系统。这种成像技术不仅可以获取细小如长程轴突、树突的信息，还能同时提供细胞构筑的空间定位信息。此外，这种成像系统还可以在全脑范围获取血管网络信息。

        轴突水平成像适用于在大体积、甚至全脑范围获取稀疏标记的神经元完整形态，以普查细胞类型的需求为目的。轴突是单个神经元中最大的功能结构，通常轴突具有丰富的分支，而且长程投射范围可能达多个脑区，神经元的形态特征是对其进行分类的主要方法。

全脑精细成像检测的工作流程

fMOST成像流程Ting Luo et.al. Scalable Resin Embedding Method for Large-Volume Brain Tissues with High Fluorescence Preservation Capacity, iScience, Volume 23, Issue 11, 2020.

服务流程
 

客户提供

      1、检测需求及参考资料；

      2、染色或标记的脑组织样本。

服务信息及最终交付内容、产品

      1、检测报告

      2、原始数据

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