再次刷新！PNAS发布迄今为止最高分辨率的小鼠大脑MR图像，多方面提升鼠脑成像研究
近日，G. Allan Johnson团队展示了有史以来最高分辨率的小鼠大脑MR图像，DTI图像比临床前核磁成像分辨率高1000倍，超分辨率轨道密度图像是典型DTI的27000倍。
HiDiver方法结合光片显微镜提供了细胞和回路图像，本文介绍了将3D MRH（magnetic resonance histology）与LSM（light sheet microscopy）和3D描绘对标的工作流程，精度优于50微米，可用于定量研究基因变异和衰老对小鼠脑结构和连接组学的影响。
他们的成果发表在最新一期的PNAS杂志上，名为 “Merged magnetic resonance and light sheet microscopy of the whole mouse brain”。
自20世纪70年代Lauterbur的催化研究以来，核磁共振成为临床护理和神经科学研究的支柱。分辨率、对比度和成像速度不断提高，但人脑分辨率受限于运动伪影、灵敏度和短扫描时间。结构MRI无法解析组织细胞结构的细粒度解剖结构。
作者开发的新方法可用于小鼠大脑的高分辨率磁共振和光片图像的系统性全脑和遗传分析。与之前的工作相比，这里介绍的工作在分辨率、采集位置、图像注册和高通量等方面都有重大改进，可更准确地重建全脑连接体。
作者成功解决小鼠大脑成像的三大技术挑战：1）高通量下获取250GB的MRH；2）精准注册几何扭曲的LSM数据到MRH；3）将数据映射到公共参考空间。
欢迎加入
全国脑成像学术讨论群
添加小编微信
brainnews_09
-留言：脑成像研究群-
HiDiver的简介
本文介绍的新方法，可以收集和注册完整单个大脑的结构数据，探索基因-结构关系。该方法具有更高的空间和对比度分辨率，提高了体积测量的精度，可用于阿尔茨海默氏症的神经遗传学研究。
注册MRH标量体积
作者介绍了DTI收取的MGRE和标量图像中不同的解剖细节。这些图像提供了与大脑组织的超微结构相关的独特对比，例如轴突密度、髓鞘含量和细胞内/细胞外隔间的细节。此外，这些MRH基础数据集提供了12个细胞和骨髓结构的互补视图。图中的血管在MGRE和AD图像中非常突出（图1B，C）。
图1. MRH对比度概述
ROI的定义
作者使用ABA共同坐标框架（CCFv3）定义的461个结构的ROI。虽然跨菌株和基因型注册很有挑战性，但作者生成了一个减少的子集（r1CCFv3），它由180个ROI/半球组成（图2），为整个大脑提供各向同性分割。平均CE低且可靠地嵌入到所有MRH数据中。
图2. r1CCFv3的全脑体积渲染
MRH注册
MRH提供出色的几何保真度和多个注册对比度（见图1），适用于全脑形态测量，包括原位体积、ROI组织学和纤维束成像。LSM具有高空间分辨率和多种标签和染色的应用，但几何保真度较差且试剂渗透问题较严重。HiDiver结合了这两种方法的优点，图3展示了MRH数据注册前（红色）和注册后（绿色）的LSM数据集。
图3. MRH和LSM的HiDiver集成
LSM对齐到超分辨率MRH轨道密度图像
使用Calamante开发的轨道密度图像（TDI），其超分辨率为5微米。TDI已注册到LSM中，黄色荧光蛋白标记大型神经元（图4）。LSM和TDI的联合揭示细胞结构及其层级。细链与髓鞘轴束取向一致。TDI链呈径向均匀性，到达皮层时会成拱廊形状（图4B）。
图4. 超分辨率TDI
在神经遗传学中的应用
将标签从MRH转移到LSM的效果很好，但仍存在一些不完美之处。为测试HiDiver的基因型和年龄，作者将r1CCFv3 ROI从C57BL/6J转移到两只BXD89小鼠中，它们与人类的典型遗传变异水平相似。通过啮齿动物专用管道，HiDiver成功地将r1CCFv3标签转移，并使用图4和图5中的边界进行了验证。
与人类研究相比，图中连接体的体素小250万倍，减少了任何体素中交叉或合并纤维的数量。为了更好地展示差异，作者在图5E中展示了缩放的线性差异。纤维道沿着底部和右侧呈现，带来更好的可读性。
图5. 应用于 BXD89 雄性的定量纤维束成像
总结与展望
将神经成像数据联系起来仍然是一个难题。多标量数据注册只是第一步，我们需要一个计算框架来提取或测试基因组-表项关系的因果关系。为此，需要大量且高度多样化的样本，因为使用单个基因组无法推导出结构-功能关系，更无法推广到其他物种。以后，实验研究将转向强大的种群模型，其中包含与人类相当的遗传变异水平。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2218617120
参考文献
Johnson GA, Tian Y, Ashbrook DG, Cofer GP, Cook JJ, Gee JC, Hall A, Hornburg K, Qi Y, Yeh FC, Wang N, White LE, Williams RW. Merged magnetic resonance and light sheet microscopy of the whole mouse brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Apr 25;120(17):e2218617120. doi: 10.1073/pnas.2218617120. Epub 2023 Apr 17. PMID: 37068254.
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
往