——　第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼　——

显微光学切片层析成像系统研制及高分辨鼠脑三维结构成像研究

　　脑的解剖结构是理解脑功能和脑疾病的基础之一，构建神经元间的完整连接图谱对于研究大脑疾病，如精神分裂症或自闭症等，至关重要。现有全脑图谱的每张图片之间的间隔是在数毫米以上，分辨率最高的功能核磁共振仪大约为每立方毫米1个像素，而这其中却包含了约3亿个突触的活动信息。由于连接神经细胞的突起直径仅约1微米，因此为了能够在全脑范围内对神经网络的位置、形态和相互连接进行研究，需要构建空间分辨率至少要达到1微米的三维全脑结构数据集。

　　华中科技大学骆清铭教授及其研究组在国家自然科学基金科学仪器基础研究专款等项目支持下，通过集成创新和关键技术与方法的突破，研制出了具有自主知识产权的显微光学切片断层成像系统，建立了对大样本（厘米量级）进行显微水平的精细结构（亚微米分辨率）三维成像的方法，该技术具有连续自动快速获取数据、图像无需额外配准、稳定性高和精确性高的特点。他们利用自主研制的成像系统在国际上首次成功获得完整鼠脑的微米分辨水平三维结构图谱。

　　与国际同行的研究相比，创新点主要体现在三个方面：1）在高分辨光学成像工作机理研究方面，采用经典的落射荧光成像方法实现吸收成像，即照明光通过物镜，聚焦到样品上，实现反射成像。与国外同行采用的照明光经金刚石刀具的透射成像相比，本设计简化了成像系统的调节，并为切削工具的特殊设计提供了保证。2）在切削刀具与切削方式研究方面，所设计和使用的刀具只具有单一的切削功能，从而可以采用特殊的角度和安装方式，长时间稳定高质量地在同一层面切削样品，保证了优越的切削性能。利用独特的刀具设计与安装，本成果能在同一平面内逐条切片，而不是国外同行所采用的阶梯切削方式。由此避免样品出现不均匀的结构变化，特别是避免了因振动所导致的纹路（Chatter），保证了高质量准确获取突起水平的细节信息以及全脑图像的精确配准，解决了国际同行10余年来尚未突破的关键技术问题。3）在高分辨脑三维结构成像方面，通过对完整小鼠脑进行连续242小时的全自动快速成像，获得总数据量为8Tb，15380层像素，分辨率为0.3×0.3微米的冠状断面图像。建立了国际上第一套完整鼠脑的突起水平高分辨三维结构图谱，为认识脑功能提供了重要的基础性数据库。

　　研究成果在包括Science等SCI期刊上发表论文共13篇，获发明专利3项，受理发明专利4项。Science的每周新闻（NEWS OF THE WEEK）配发了题为“China’s Brain Mappers Zoom In on Neural Connections”专题评论，认为“来自中国的研究团队竭尽全力地创造出至今为止最精细的小鼠全脑神经元三维连接图谱”，“文章所提供的数据和全新的自动化脑图谱获取仪器将会为未来的研究提供重要基础”。