收藏：助力大脑研究，应用 fMOST半年内发表18篇重要学术成果汇编

骆清铭院士和龚辉教授带领MOST团队发明的显微光学切片断层 成像系列技术（MOST/fMOST）作为介观尺度最精细的三维成像技术，伴随着各种标记技术和数据处理技术的发展，现已在神经机制研究、脑疾病研究、心血管疾病研究以及病理毒理等领域得到广泛应用。

近年来基于MOST/fMOST技术的高水平文章层出不穷，小编现汇总了2021年9月至2022年2月这半年以来，部分应用MOST/fMOST技术的典型学术成果，包括4篇Nature，1篇Nature Communication，1篇Science Bulletin，1篇Circulation Research，1篇Nature Methods，1篇Elife 等18篇，以飨读者。

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Nature | 4篇连发！fMOST助力大脑皮层运动神经元图谱绘制

2021年10月6日，Nature 在同一期发布了17篇美国“大脑皮层运动神经元图谱以及数据库联盟BICCN（BRAIN Initiative Cell Census Network）”的论文，公布了其阶段性研究成果——运动神经元的多层次、多模式的细胞图谱，其中4篇研究性文章运用成荧光显微光学切片断层成像（fluorescence Micro-Optical Sectioning Tomography，fMOST）技术绘制完整神经元形态，参与“小鼠全脑细胞图谱绘制”重大项目。

• 1、多技术协作建立神经元类型标准框架

BICCN在发表的题为“A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex”¹的文章中，系统性地描绘了他们的工作——建立一个能够整合多层分子空间遗传信息与多方面表型性质的标准化神经元分型框架。例如利用包括fMOST在内的解剖学技术，BICCN配合分子、遗传、生理等领域的多方面技术手段来对三类哺乳动物物种的初级运动皮层（MOp）中的神经元进行全面的定性分析。

图1：初级运动皮层细胞综合特征

• 2、特定区域胞体空间分布描绘

加州大学洛杉矶分校Hong-Wei Dong、艾伦脑科学研究院Julie A. Harris、冷泉港实验室Pavel A. Osten、杜克大学 Z. Josh Huang和乔治梅森大学Giorgio Ascoli研究团队发表了题目为“Cellular anatomy of the mouse primary motor cortex”²的文章。

该研究通过与MOST团队等多团队协作，利用基因标记、测序、全脑成像等技术，构建了小鼠primary motor cortex, upper limb area (MOp-ul)的3D结构图谱，在该区域定义了24个投射神经元类型，并系统性地绘制了输入-输出通路。

图2：对fMOST成像结果的神经元完整形态重构及其投射模式差异性分析

• 3、基于单神经元级别的投射模式研究

东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川教授及艾伦脑科学研究所曾红葵教授研究团队发表了题目为“Morphological diversity of single neurons in molecularly defined cell types”³的文章。

该研究通过与MOST团队等多团队协作，结合稀疏标记、全脑成像、三维重构、配准和分析，在小鼠脑中重建了1741个神经元，鉴定了不同形状特征和基因表达特征的11种投射神经元类型，揭示了其细胞多样性。

图3：fMOST成像后的11种投射类型的单细胞完整形态代表图

• 4、多脑区网络建立

加州大学洛杉矶分校的Hong-Wei Dong研究团队发表了题目“The mouse cortico–basal ganglia–thalamic network”⁴的文章。

该研究通过与MOST团队等多团队协作，绘制了纹状体区域的输出通路，投射经过了苍白球外侧（GPe）、黑质网状部分（SNr）、丘脑和皮层，鉴定了六个并行的皮质-基底核-丘脑网络。

图4：利用fMOST成像结果绘制的皮质-基底核-丘脑网络

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Sci Bul | fMOST助力完整猕猴全脑亚细胞分辨率三维成像

2022年1月1日，MOST团队与中国科学院昆明动物研究所胡新天研究员研究团队在Science Bulletin 发表了题为“Continuous subcellular resolution three-dimensional imaging on intact macaque brain”⁵的文章。

该研究基于fMOST技术进行了猕猴全脑介观精细结构的测绘，实现了猕猴全脑的样本制品、轴突分辨的自动化成像及PB量级的数据处理，自动化获取了体素分辨率为0.65 ×0.65 ×3 μm³的猕猴全脑三维连续数据。

图5：基于fMOST技术的猕猴全脑成像流程

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Nat Commun | fMOST助力揭示AD短期学习记忆障碍的神经环路机制

2022年2月22日，MOST团队在Nature Communications发表题为“Acetylcholine deficiency disrupts extratelencephalic projection neurons in the prefrontal cortex in a mouse model of Alzheimer’s disease”⁶的文章，通过荧光显微光学切片断层成像 (fMOST) 技术揭示了阿尔茨海默症导致短时记忆损伤的内侧前额叶皮层环路机制。

研究者使用病毒示踪和fMOST技术解析了前额叶皮层投射神经元的形态和输入环路结构，分析了5×FAD模型小鼠神经环路结构的变化，确定了上下游环路的关键脑区核团。

图6：fMOST解析mPFC神经元全脑轴突投射

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Elife | fMOST助力阐述中缝核的解剖结构

2021年11月18日，MOST团队在Elife上发表了题为“Whole-brain connectivity atlas of glutamatergic and GABAergic neurons in the mouse dorsal and median raphe nuclei”⁷的文章。

研究人员利用病毒标记方法结合fMOST成像技术，构建了中缝背核和中缝正中核神经元的谷氨酸能神经元和GABA能神经元两个亚类的全脑输出输入神经连接图谱。

图7：利用fMOST技术构建的全脑输出输入神经连接图谱

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Circ Res | fMOST助力发现新生期心脏冠状动脉生成新机制

2022年2月4日，中科院分子细胞科学卓越创新中心周斌课题组和MOST团队在心血管领域权威学术期刊Circulation Research上以封面文章发表了题为“Extension of Endocardium-Derived Vessels Generate Coronary Arteries in Neonates”⁸的文章，发现了心脏心内膜衍生的血管通道延伸到外心肌并形成新生心肌内冠状动脉的新机制，证明了心内膜Mettl3和Notch信号通路参与调节冠状动脉的形成，揭示了心内膜源性冠状动脉在心肌梗死后维持心脏功能方面具有重要作用。

研究人员通过荧光显微光学切片断层成像方法（fMOST），对动脉形成进行了完整心脏单细胞水平的成像，在高分辨率下阐明了心肌内冠状动脉生成过程。

图8：fMOST技术对心内膜衍生管道及其形成的成熟动脉的三维成像

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Clin Transl Med | fMOST助力绘制RABV在鼠脑内的三维空间分布

2022年1月20日，华中农业大学赵凌教授、北京大学白凡教授和MOST团队在Clinical and Translational Medicine期刊发表了题为“A spatial and cellular distribution of rabies virus infection in the mouse brain revealed by fMOST and single-cell RNA sequencing”⁹的文章。该研究联合使用fMOST和scRNA-seq技术，系统绘制了RABV在感染小鼠脑内的三维空间分布，揭示了多个未曾报道的易感神经核团，同时从单细胞水平分析了RABV感染的细胞类型，并揭示了巨噬细胞和自然杀伤（NK）细胞在RABV感染过程中的多种抗病毒功能亚群。

研究人员对感染了重组RABV的鼠脑进行fMOST成像，通过图像重构绘制了出RABV在鼠脑内的三维空间分布图谱，发现了可能与狂犬病的发病后造成的恐惧相关的生理现象密切相关的细胞核团以及与心跳和呼吸功能衰竭密切相关的核团。

图9：fMOST技术对RABV全脑分布的成像结果

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Nat Methods | 基于fMOST数据的全脑映射领域新突破

2021年12月09日，东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川教授研究团队在国际方法学顶级期刊Nature Methods发表了题为“Cross-modal coherent registration of whole mouse brains”¹⁰的文章。研究团队提出了基于相干标记点映射（Coherent Landmark Mapping - CLM）和深度神经网络（Deep Neural Networks，DNNs）图像配准框架，构建了跨模态脑数据配准管线——mBrainAligner。

基于mBrainAligner，研究团队构建了首个fMOST模态鼠脑图谱，将CCFv3的应用从神经元群体水平拓展到单细胞水平；首次在单细胞分辨率下完成了神经元投射的拓扑分析，生成三维单神经元形态和神经元细胞类型的全脑地图。

图10：用于fMOST鼠脑图谱建立的mBrainAligner流程图

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Front Pharmacol | fMOST助力分析短暂性脑缺血发作的脑血管机制

2021年9月29日，华中科技大学同济医学院附属同济医院唐洲平教授团队在Frontiers in Pharmacology发表了题为“Dl-3-N-Butylphthalide Promotes Angiogenesis in an Optimized Model of Transient Ischemic Attack in C57BL/6 Mice”¹¹的文章，发现了大脑中动脉阻塞技术诱导的急性脑缺血（TIA）小鼠模型的多脑区神经血管异常及NBP治疗对TIA血管生长的促进作用。

研究人员充分利用MOST/fMOST，获得了小鼠全脑亚微米级脑血管网络图像，直观、精细地展示了多脑区神经血管的显微结构及其空间分布，定量分析了血管长度、密度等指标。

图11：尼氏染色后的小鼠整脑MOST成像

图12：FITC血管灌注后的小鼠整脑的fMOST成像

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Cell Biol Toxicol | fMOST助力分析纳米氧化锌对新型3D类脑模型的损伤机制

2021年11月11日，南华大学公共卫生学院曹毅博士课题组在Cell Biology and Toxicology发表了题为“The cytotoxicity of zinc oxide nanoparticles to 3D brain organoids results from excessive intracellular zinc ions and defective autophagy”¹²的文章，研究人员对新型3D类脑模型fMOST成像分析发现高浓度纳米氧化锌通过缺陷性自噬和胞内锌离子积累引起毒性的类脑损伤机制。

图13：利用fMOST技术对3D类脑进行成像及重构分析

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Bioinformatics | 基于神经元形态重构的fMOST数据图像增强新方法

2022年01月15日，东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川、丁莉雅研究团队在Bioinformatics发表了题为“Image enhancement to leverage the 3D morphological reconstruction of single-cell neurons”¹³的文章。

研究团队开发了一种提高用于单个神经元形态重构的fMOST成像数据图像增强的新管线，以增强神经突信号和抑制背景。与原始图像相比，该方法增强后的图像压缩率平均提高了5倍，具有为神经科学研究提供更好的三维形态重建、更低的数据存储和传输成本等方面的潜力。

图14：fMOST数据图像增强后的神经元重构效果图

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Biomed Opt Express | 用于fMOST成像的多色标记大体积样品包埋新方法

2021年10月6日，MOST团队在Biomedical optics express发表了题为“Plastic embedding for precise imaging of large-scale biological tissues labeled with multiple fluorescent dyes and proteins”¹⁴的文章。

研究团队对具有多种荧光染料和蛋白质标记的大型生物组织的树脂包埋方法进行了改进，通过GMA-T包埋结合fMOST成像，实现了在毫米级网络中以亚细胞分辨率对荧光蛋白和染料标记的结构的可视化，允许对同一大脑的包括神经元和血管在内的不同解剖结构进行定量分析。结合fMOST成像。同时该研究定量分析了tdtomato标记的血管活性肠多肽(VIP)神经元和BSA-FITC标记的血管在同一大脑中的分布和形态特征。

图15：利用fMOST技术对同一脑内神经元、血管的全脑成像结果

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Front Neuroanat | 大规模染色组织切片的高通量处理策略拓展fMOST应用 

2021年12月23日，MOST团队在Frontiers in neuroanatomy上发表了题为“High-Throughput Strategy for Profiling Sequential Section With Multiplex Staining of Mouse Brain”¹⁵的文章。

研究人员提出了一种从连续切片中快速、高效获取组织学和解剖学信息的管线，实现了批量切片的大规模染色、脑区配准和信号定量分析。该方法适合用于该方法适用于振动切片获得的组织切片，可用于不同细胞表型的重复染色，具有与fMOST技术结合应用的巨大潜力。

图16：大规模染色组织切片的高通量处理策略

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Front Neuroanat | fMOST助力解析腹侧苍白球神经元投射模式

2021年12月16日，北京生命科学研究所罗敏敏教授团队与MOST团队合作在Frontiers in neuroanatomy上发表了题为“Whole-Brain Reconstruction of Neurons in the Ventral Pallidum Reveals Diverse Projection Patterns”¹⁶的文章。

研究人员利用病毒稀疏标记结合fMOST成像，重构并解析了腹侧苍白球（VP）丘脑投射神经元及其投射模式，在单神经元水平上分析了各亚型的胞体分布和树突形态。

图17：利用fMOST技术重构的VP神经元投射模式

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Front Neuroanat | fMOST助力表征全脑输出输入神经连接模式

2021年12月23日，MOST团队、华中科技大学赵峰研究团合作在Frontiers in neuroanatomy上发表了题为“A Whole-Brain Connectivity Map of VTA and SNc Glutamatergic and GABAergic Neurons in Mice”¹⁷的文章。

研究人员利用病毒示踪结合fMOST成像，分析了腹侧被盖区（VTA）和黑质致密部（SNc）谷氨酸能和GABA能神经元全脑输出输入神经连接模式。

图18：利用fMOST技术绘制的全脑输出输入神经连接图谱

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Front Neuroanat | fMOST助力发现整合胡须信息的新投射路径

2021年10月28日，MOST团队、华中科技大学同济医学院薛峥、复旦大学许彤辉研究团队在Frontiers in neuroanatomy上发表了题为“Cross-Streams Through the Ventral Posteromedial Thalamic Nucleus to Convey Vibrissal Information”¹⁸的文章。

研究人员利用用双病毒标记策略结合结合fMOST成像，重构并追踪丘脑腹后内侧核(VPM)神经元及其投射，发现了VPM的腹侧侧部到桶状柱之间的一些新的丘脑皮质投射，揭示了可能桶状柱中胡须整合有关的通过VPM的并行通路间的新的交叉流。

图19：fMOST成像后构建的VPM神经元投射

参考文献

1. Network, B. I. C. C. A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex. Nature 598, 86-102, doi:10.1038/s41586-021-03950-0 (2021)

2. Munoz-Castaneda, R. et al. Cellular anatomy of the mouse primary motor cortex. Nature 598, 159-166, doi:10.1038/s41586-021-03970-w (2021).

3. Peng, H. et al. Morphological diversity of single neurons in molecularly defined cell types. Nature 598, 174-181, doi:10.1038/s41586-021-03941-1 (2021).

4. Foster, N. N. et al. The mouse cortico-basal ganglia-thalamic network. Nature 598, 188-194, doi:10.1038/s41586-021-03993-3 (2021).

5. Zhou, C. et al. Continuous subcellular resolution three-dimensional imaging on intact macaque brain. Science Bulletin, doi:10.1016/j.scib.2021.08.003 (2021).

6. Sun, Q. et al. Acetylcholine deficiency disrupts extratelencephalic projection neurons in the prefrontal cortex in a mouse model of Alzheimer's disease. Nat Commun 13, 998, doi:10.1038/s41467-022-28493-4 (2022).

7. Xu, Z. et al. Whole-brain connectivity atlas of glutamatergic and GABAergic neurons in the mouse dorsal and median raphe nuclei. Elife 10, doi:10.7554/eLife.65502 (2021).

8. Tang, J. et al. Extension of Endocardium-Derived Vessels Generate Coronary Arteries in Neonates. Circ Res 130, 352-365, doi:10.1161/CIRCRESAHA.121.320335 (2022)

9. Zhang, Y. et al. A spatial and cellular distribution of rabies virus infection in the mouse brain revealed by fMOST and single-cell RNA sequencing. Clin Transl Med 12, e700, doi:10.1002/ctm2.700 (2022）

10. Qu, L. et al. Cross-modal coherent registration of whole mouse brains. Nat Methods, doi:10.1038/s41592-021-01334-w (2021).

11. Wang, J. et al. Dl-3-N-Butylphthalide Promotes Angiogenesis in an Optimized Model of Transient Ischemic Attack in C57BL/6 Mice. Front Pharmacol 12, 751397, doi:10.3389/fphar.2021.751397 (2021).

12. Liu, L. et al. The cytotoxicity of zinc oxide nanoparticles to 3D brain organoids results from excessive intracellular zinc ions and defective autophagy. Cell Biol Toxicol, doi:10.1007/s10565-021-09678-x (2021).

13. Guo, S., Zhao, X., Jiang, S., Ding, L. & Peng, H. Image enhancement to leverage the 3D morphological reconstruction of single-cell neurons. Bioinformatics, doi:10.1093/bioinformatics/btab638 (2021).

14. Ren, M. et al. Plastic embedding for precise imaging of large-scale biological tissues labeled with multiple fluorescent dyes and proteins. Biomed Opt Express 12, 6730-6745, doi:10.1364/BOE.435120 (2021).

15. Chen, S. et al. High-Throughput Strategy for Profiling Sequential Section With Multiplex Staining of Mouse Brain. Front Neuroanat 15, 771229, doi:10.3389/fnana.2021.771229 (2021).

16. Feng, Q. et al. Whole-Brain Reconstruction of Neurons in the Ventral Pallidum Reveals Diverse Projection Patterns. Frontiers in Neuroanatomy 15, doi:10.3389/fnana.2021.801354 (2021).

17. An, S. et al. A Whole-Brain Connectivity Map of VTA and SNc Glutamatergic and GABAergic Neurons in Mice. Front Neuroanat 15, 818242, doi:10.3389/fnana.2021.818242 (2021).

18. Zhang, H. et al. Cross-Streams Through the Ventral Posteromedial Thalamic Nucleus to Convey Vibrissal Information. Front Neuroanat 15, 724861, doi:10.3389/fnana.2021.724861 (2021).