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第一次,让全脑的每一条血管清晰可见

 
撰文 | 邸利会
责编 | 李晓明
 
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20年前,在武汉的骆清铭团队有一个梦想:要是有精细的全脑动脉和静脉血管的三维标准图谱就好了。那是1997年,这个团队在国内最早利用近红外光探测脑血氧的活动。如今,他们离实现这个梦想又近了一步,一套小鼠全脑精细血管的立体定位图谱已经完成。
 
藏在颅内的大脑尽管只占人体重的约2%,却难以置信的消耗了全身总供氧量的四分之一。氧气和其它的营养物质通过脑血管(特别是极其丰富的毛细血管)供应给脑组织。如果这些管道堵塞或者出血引起中风,脑的部分功能也会异常,身体的一边无法动弹或失去感觉,无法理解别人说的话,也无法言语,眩晕或一边失明。
 
对于脑血管结构异常有关的脑疾病治疗,一个基本的问题是,这些复杂的遍布全脑的血管,究竟分布在哪里?而对于测量血氧水平的脑功能成像,如磁共振成像,由于无法分辨直径仅为数微米的毛细血管,研究者也想知道,这些信号究竟来自何处?近些年虽然发展了三维光学显微成像技术,但因为光的散射和吸收,成像深度有限,仅局限在部分脑皮层区域。
 
在2017年12月19日发表的研究中,这个来自华中科技大学武汉光电国家研究中心的团队第一次在全脑范围内系统性构建和标识出了包含动脉,静脉,微动脉和微静脉的小鼠精细脑血管图谱。
 
这个图谱的取得依赖于该团队之前发展的一系列技术,如MOST(Micro-Optical Sectioning Tomography)。这个名为“显微光学切片断层成像”的技术,可以长时间自动连续采集1微米轴向分辨率的脑切片图像,由此获得完整小鼠脑神经图谱。这一工作发表在2010年的《科学》杂志上。
 
 
此后,为了构建高分辨率的小鼠全脑解剖图谱,他们继续研究了小鼠全脑的尼氏染色和树脂包埋的方法。在一次实验中,因一位学生忘记操作,有一个样本的染色时间超过了预定的时间,结果却因祸得福,有了意外的收获。“我们想着样本难得还是对其进行了成像,因为组织着色更深,结果血管壁被衬出来了!” 参与该项研究的龚辉研究员告诉《知识分子》。
 
在看到这个重要现象后,他们以同时在同一个小鼠脑上获取所有细胞和血管为目标,不断地优化小鼠全脑的尼氏染色和包埋方案,用MOST系统以0.32×0.32×1微米(百万分之一米)的分辨率,对小鼠全脑进行图像采集。结果,一个小鼠脑连续采集的冠状面图像就达到了10000张,原始数据量达2TB(2000GB)。“正是由于高分辨率的三维原始数据,就可以确定小鼠全脑细胞和血管的位置,并重建出连续血管的形态。” 龚辉说。
 
此后,为了建立数字化全脑三维血管图谱,他们先是建立了血管分割的图像处理方法,再建立了区分动脉和静脉血管的方法(以树型图谱架构为逻辑体系),并开发了自动追踪血管的软件,还建立了新发现的血管的命名规则、数据库管理方案。“其中来自物理专业的熊本义博士生表现优异,以他清楚的头脑和多方面的能力,坚持为做出最好的血管图谱而努力,还有团队中众多老师和学生的共同努力,完成了这一具有里程碑意义的基础知识性工作。” 龚辉介绍说。
 
该研究不仅对完整血管树进行了三维重建,而且在单细胞水平实现了血管分支起点的立体定位,发现了之前未曾报道的静脉分支并进行了命名。此外,通过定量分析动脉,静脉与脑的各个区域的连通性和供血关系,使得人们对动脉血是经过哪些血管分支输运到脑区或核团,脑吸收养料后的静脉血又是如何进一步被收集,汇聚有了直观的认识。
 
不过,这一工作却经历了漫长的投稿过程。“投稿到大家心目中‘最牛’的期刊时,编辑和审稿人都认为毫无疑问是重要的基础性工作,要求补充不同鼠龄的结果进行对比,我们用了大半年时间提供了不同发育时期鼠脑的对比结果。” 龚辉说。不过,之后,审稿人又要求再提供脑血管疾病鼠的结果,并给出全脑毛细血管水平的定量分析。
 
“尽管我们提供了结果说明在600微米范围就有800根毛细血管,而血管是网络结构的,要重建出全部的毛细血管,就需要把全脑的数据都导入内存进行计算追踪,但是现有的计算机还不能处理TB数据量,所以难以提供全脑毛细血管的定量分析结果。很遗憾文章还是被拒了。” 龚辉说。不过,在考虑到全脑精细血管图谱是脑科学研究的重要基础后,研究组觉得不能再等,随即决定投稿到公开期刊《神经解剖学前沿》(Frontiers in Neuroanatomy)上。
 
《知识分子》了解到,下一步研究组将建立网站把已构建的小鼠全脑血管图谱完全公开,便于感兴趣的人下载、比较;同时,他们也将运用已建立的技术体系和研究队伍,构建小鼠不同发育年龄的血管图谱、脑疾病的血管图谱。
 
“将来还要获取非人灵长类全脑血管图谱。” 龚辉说。顺着这一想法,也许可以期待,某一天科学家会交给我们一张人类的全脑血管图谱——每一条动脉,静脉,只有数微米的海量毛细血管都清晰可见。
 
同行点评
 
徐林(中国科学院昆明动物所研究员)
 
血管是大脑工作的最根本保障系统。过去临床研究显示,血管问题与许多脑疾病存在密切关系,如血管性痴呆症、脑中风等。相关领域均广泛使用小鼠制作疾病模型开展研究,但人们对小鼠的全脑血管分布知道的很少,也关注很少。龚辉教授团队的研究成果,将成为一个标准的全脑血管参照模板,不仅有利于对血管形态解剖的认识、立体定位,也将有利于探索在哪些小鼠脑疾病模型中,血管发生了什么样的改变。这是一个基础性的工作,为后续脑功能和脑疾病的研究提供了一个必须的、也非常及时的图谱。
 
贾洁敏(浙江西湖高等研究院助理教授)
 
骆清铭和龚辉等研究人员刻画了小鼠全脑的动脉和静脉分布图,这个工作是类似于打造“辞典”一样具有非常重要意义的基础性研究,为脑血管领域提供了一份难能可贵的、可以纵观全局的参考文献,尤其是对静脉分布的研究。这个研究为和脑血管相关的疾病,例如中风,和血氧水平依赖的功能成像提供了解剖基础。
 
参考文献
[1]Xiong B, Li A, Lou Y, Chen S, Long B, Peng J, Yang Z, Xu T, Yang X, Li X, Jiang T, Luo Q and Gong H (2017) Precise Cerebral Vascular Atlas in Stereotaxic Coordinates of Whole Mouse Brain. Front. Neuroanat. 11:128. doi: 10.3389/fnana.2017.00128
[2]Anan Li*, Hui Gong*, Bin Zhang*, Qingdi Wang, Cheng Yan, Jingpeng Wu, Qian Liu, Shaoqun Zeng, Qingming Luo Micro-Optical Sectioning Tomography to Obtain a High-Resolution Atlas of the Mouse Brain. Science  03 Dec 2010: Vol. 330, Issue 6009, pp. 1404-1408 DOI: 10.1126/science.1191776
[3]Wu, J. P., He, Y., Yang, Z. Q., Guo, C. D., Luo, Q. M., Zhou, W., et al. (2014). 3D BrainCV: simultaneous visualization and analysis of cells and capillaries in a whole mouse brain with one-micron voxel resolution. Neuroimage 87, 199–208. doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.10.036 
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