文献类型：学位论文

中文题名：高精度高内涵小鼠全脑图谱构建及其在阿尔兹海默症小鼠中的应用

作者：张小川[1];

机构：[1]华东理工大学;

导师：蒋华良;华东理工大学|高召兵;华东理工大学

授予学位：博士

语种：中文

中文关键词：显微光学切片断层成像系统;小鼠全脑血管图谱;阿尔兹海默症;脑血管损伤;淀粉样蛋白斑块;多种脑结构同步可视化

摘要：在全脑范围同时获取多种结构的高分辨图谱对于深入揭示脑功能及神经系统疾病的发病机制具有重要意义。目前已有的成像技术和方法在实现大尺度、高分辨率的多种脑结构元素同步成像方面面临着巨大的挑战。作为严重威胁人类生命健康的神经退行性疾病之一,阿尔兹海默症(Alzheimer's disease,AD)常伴随广泛的脑组织学和病理学变化:一方面,脑血管结构和功能异常在AD发生发展中的重要性日益得到认可,在全脑尺度介观水平上,脑血管特别是毛细血管在AD病理中的形态和解剖学改变仍有待阐明;另一方面,已有多种成像手段揭示了 Aβ斑块的结构和分布特征,也有多通道荧光标记等方法观察到Aβ斑块对脑结构的影响,然而依然缺乏在全脑范围内针对Aβ斑块及其周围环境三维构筑的高精度、跨尺度研究。针对上述问题,本文发展了一种全脑成像策略,并采用此策略构建了 AD小鼠多种脑结构的高精度图谱。本文第一部分进行了小鼠全脑成像技术的平台搭建及后续图像处理分析,以完成全脑高精度图谱绘制方法的建立。为了实现全脑高分辨率成像以及成像后海量复杂数据的处理与解读,本文首先开展显微光学切片断层成像(Micro-Optical Sectioning Tomography,MOST)技术的应用以及构建高效数据分析流程,主要包含样本制备、数据采集、图像预处理与优化、海马分割、三维可视化重建与定量分析、虚拟内窥等环节,解决了低信噪比图像增强、噪声图像质量优化、高空间复杂度三维数据的快速渲染和量化分析等在数据处理方面依然面临诸多挑战的难题。对C57BL/6小鼠的全脑血管网络精细可视化显示了皮层、丘脑和海马等区域具有各自独特血管模式,其中海马的平均血管直径、血管长度密度、血管体积分数均最低。完整海马的高精度重建揭示了其“耙”式血管分布模式,齿状回(DG-ml)分子层的主要血管在直径和分支角度上均发生突变,呈现出独特的梳状毛细血管分布模式。对单枝海马血管的虚拟内窥从独特的视角观察血管腔的内表面形态、平滑度以及分岔模式,可以提供常规可视化手段不能涉及的血管腔内信息。本文第二部分对APP/PS1转基因小鼠的全脑血管系统进行了高分辨的可视化重建和定量分析,首次在亚微米级别分辨率上系统性地描述了 AD病理相关的海马血管分布和形态模式的变化。运用已建立的MOST技术平台及数据分析路线率先获得了 APP/PS1转基因AD小鼠及其野生型对照的Nissl染色全脑数据集,构建了包含从直径几十微米的大血管到小于2微米的毛细血管的完整小鼠全脑跨尺度三维血管图谱。通过系统定量分析野生型与APP/PS1小鼠的脑血管网络,发现APP/PS1小鼠海马血管的平均血管直径、血管体积分数均显著降低。进一步对海马不同亚区的比较分析揭示了齿状回分子层(DG-ml)的平均血管直径、血管长度密度及血管体积分数的降低程度最为显著。对单枝血管分支模式的量化分析结果表明,APP/PS1小鼠血管分支角度显著变小,导致单枝海马血管的血液灌注面积减少。最后虚拟血管内窥检查揭示了 APP/PS1小鼠与野生型小鼠在血管管腔内壁粗糙度、分支节点平滑度上均有显著差异。上述结果证明了对小鼠脑血管的高分辨率跨尺度评估的能力,并系统揭示了海马微循环尤其是齿状回在AD病理中的损伤。本文第三部分对5×FAD转基因AD小鼠全脑Nissl染色数据集进行高精度的三维重建,首次实现基于Nissl染色的小鼠全脑Aβ斑块分布可视化,首次在同一小鼠全脑中构建了 Aβ斑块及其周围胞体、神经树突、神经束和血管的高精度全景图。针对高通量明场图像背景复杂、灰度异质性导致的高难度信号提取和图像处理问题,设计了包含“虚拟通道分割”和“特征融合”的多种结构信号提取和同步可视化方法,并据此开展多种结构的高精度跨尺度的全脑构筑研究。全脑Aβ斑块密度最大区域及大尺寸斑块分布最密集区域均为内嗅皮层和邻近的海马腹侧下托区域,提示Aβ病理可能最早出现在这些最密集的区域。在全脑范围,Aβ斑块分布较密集的区域通常具有相对较多的胞体且处于血管远端,而神经纤维束在Aβ斑块相对稀疏的区域较为密集;在局部脑区,皮层区域可视化和定量分析均显示Aβ斑块密集区靠近胞体丰富的深部区域,而海马内的Aβ斑块成层状分布在锥体细胞层和颗粒细胞层附近;在亚微米分辨水平,海马辐射层内Aβ斑块周围的神经树突显示出明显的弯曲或截断,海马下托的毛细血管穿过斑块内部或附近,也呈现一定程度截断或变形且表面粗糙度高。此外,本文最后选取了可能影响血管的舒尼替尼、西地那非和可替宁进行给药实验及行为学测试,然后选取行为学变化趋势最明显的可替宁给药小鼠进行多结构同步可视化方法,发现给药后皮层Aβ斑块数量呈下降趋势,而海马区域无明显变化;垂直于脑表面的较粗的皮层血管在给药后呈增多趋势,且皮层血管体积分数显著增加,而海马区域给药后血管形态参数无明显变化。这些结果显示了基于MOST技术的三维可视化方法可能用于研究药物效应。本文提供了一种针对高通量灰度图像进行信息提取和可视化重建的方法,从而完成了对全脑范围内多种结构元素的高精度同步可视化。对全脑范围内多种结构信息的清晰展示为深入理解AD相关病理状态下的大脑解剖结构特征提供了新思路。本文对正常小鼠全脑血管网络尤其是海马血管分布模式的清晰描绘、对AD小鼠脑血管的系统评估和Aβ斑块及其周围多结构的同步可视化,不但促进了在介观水平对正常以及AD病理状态下的小鼠脑基本结构的深入认识,也可能为AD相关药物临床前开发提供新参考。