整合嗜神经病毒示踪和磁共振成像建立解析神经网络的新技术
发布时间：2021-03-26 20:01
大脑中神经元与神经元的连接构成了复杂而又精密的神经网络。解析神经网络的结构与功能将有助于准确地理解大脑行使功能的机制及神经精神疾病的发病机理。嗜神经病毒示踪技术与磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是解析神经网络的两种重要方法。它们主要的优势分别是可实现神经网络的精细解析与全脑尺度的活体观察。通过将两者联合运用,各取所长,已产生了颇具优势的新方法,如光遗传学功能磁共振成像（optogenetic functional MRI,ofMRI）以及化学遗传学功能磁共振成像（chemogentic functional MRI,chemo-fMRI）等。在此基础上,本论文从两方面研究了嗜神经病毒示踪和磁共振成像联用的神经网络解析方法,以期实现在活体水平更精确更特异地解析大脑网络。一方面,通过结合MRI报告基因和工具病毒载体,本论文试图利用MRI在活体水平观察大脑神经连接,从而扩展现有的通过离体荧光成像观察结果的病毒标记方法。首先,我们构建了携带MRI报告蛋白铁蛋白（Ferritin）与绿色荧光蛋白（Enhanced Green Fluorescent Pr...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)湖北省
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３动作电位发放时记录的ＢＯＬＤ信号及街离子信号示意图（引用于［６２］）??
中含有大量的质子，室温条件??下的也能产生足够检测的ＮＭＲ信号。热平衡状态下，大量质子自旋磁矩产生的沿??外磁场方向的磁化强度常用宏观磁化矢量Ｍ。（单位体积的磁化强度）表示。样品??中沿外磁场方向排列的质子密度称为自旋密度，Ｍ。与自旋密度成正比［６４’?６５］。??频率为Ｌａｍｏｒ频率的射频脉冲能激发磁场中进动的自旋发生核磁共振，并使??宏观磁化矢量转离Ｂ。方向（ｚ方向）。假设ＲＦ脉冲使纵向磁化矢量Ｍｚ翻转９０度，??到达横向平面（ｘ－ｙ平面），将得到幅度为吣的横向磁化矢量Ｍｘｙ?（图１．４）。ＲＦ脉??冲停止后，平面以Ｌａｍｏｒ频率绕Ｂｎ方向自由进动，切割垂直于ｘ－ｙ平??面的接收线圈，并在线圈中感应出随时间变化的感生电动势，这就是ＮＭＲ中获得??的信号，此信号大小与吣的关系为：??ｓｉｇｎａｌ?〇ｃ?Ｍｚｏｊ〇?ｃｏｓ?ｃｏ〇ｔ?．．．?（１．３）??ｚ?Ｚ??Ｂ〇?“??、?ＲＦ??．．－為??Ｘ’?Ｘ’??图１．４施加９０°射频脉冲后，乩被翻转成匙（修改自Ｂ５］）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?４?Ａｆｔｅｒ?ａｐｐｌｙｉｎｇ?ａ?９０°?ＲＦ?ｐｕｌｓｅ，?Ｍｚ?ｉｓ?ｆｌｉｐｐｅｄ?ｔｏ?Ｍｘｙ??事实上，ＲＦ脉冲停止后，还有一个重要的因素会影响磁化矢量的大小，进而??影响信号强度，这个因素就是弛豫。弛豫是偏离平衡态的宏观磁化矢量恢复到平??衡态的过程，它分为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫产生于自旋与临近原子的相??互作用，故又称为自旋－晶格她豫，它表示纵向磁化矢量从某个值Ｍｚ向它的最大??值也就是平衡值Ｍ。增长的过程，用时间１＼表示增长的速率，称之为纵向弛豫时??１４??
?第１章绪论???间（图１．５Ａ）。横向弛豫是由局部进动频率不同造成的自旋相位的发散，故又称??为自旋－自旋弛豫，它描述的是横向磁化矢量Ｍｘｙ向它的最小值零衰减的过程，用??横向弛豫时间Ｔ２表征其速率（图１．５Ｂ）。??Ａ?Ｍｚ＝Ｍ０（ｌ?－ｅ－，／ＴＩ）?Ｂ?Ｍ、ｖ?＝?Ｍ０１?１２??＾０??ｊ??Ｍｚ?＾??Ｉ?６３％Ｍ０??ｖ?１?Ｌｉｚ???Ｔ１?ＴＩＭＥ?１２?ＴＩＭＥ??图１．５?Ｔ：恢复曲线及１衰减曲线??Ｍｚ?＝?Ｍ〇（ｌ?－?ｅ－＾）；?＝?Ｍｏｅ－＾??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?５?Ｇｒａｐｈｉｃａｌ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?Ｔｉ?ａｎｄ?Ｔ２?ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅｓ??ｈｔｔｐ：／／ｍｒｉｑｕｅｓｔｉｏｎｓ．?ｃｏｍ／ｂｌｏｃｈ－ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．?ｈｔｍｌ？ｔｄｓｏｕｒｃｅｔａｇ＝ｓ＿ｐｃｔｉｍ＿ａｉｏｍｓｇ??Ｌ、Ｌ与自旋密度是物体或组织的特征属性，也是ＭＲＩ技术中的重要参数。??在实际情况中，由于外磁场不可能完全均一，以及样品不同组分具有不同的磁化??率，因而不同位置的质子受到的磁场强度会略有不同，从而导致它们以不同的频??率进动。这与Ｔ２弛豫一样能造成自旋失相位，引起信号的衰减。我们将同时受自??旋－自旋她豫、外磁场不均匀性以及样品磁化率不均一三种因素影响的信号衰减??称为Ｔ／衰减，Ｔ／总是小于％，即Ｔ／衰减比Ｔ２衰减更快［６４］（图１．６）。??Ｍ，ｖ?［Ｖ??、、?Ｔ２?妓减??３７％?－Ｖ－???｜?＾一－Ｔ２＊?袞减???｜?？?Ｉ－?－???Ｔ２＊?Ｔ２??图１．６?Ｔ２＆Ｔ／衰减曲线（
【参考文献】：
期刊论文
[1]Rabies Virus Pseudotyped with CVS-N2C Glycoprotein as a Powerful Tool for Retrograde Neuronal Network Tracing[J]. Xutao Zhu,Kunzhang Lin,Qing Liu,Xinpei Yue,Huijie Mi,Xiaoping Huang,Xiaobin He,Ruiqi Wu,Danhao Zheng,Dong Wei,Liangliang Jia,Weilin Wang,Anne Manyande,Jie Wang,Zhijian Zhang,Fuqiang Xu. Neuroscience Bulletin. 2020(03)
[2]神经环路示踪工具病毒的研究进展[J]. 韩增鹏,施祥玮,应敏,郑宁,李梅,张志建,吴阳,王华东,王杰,胡亮,贾凡,徐富强. 分析化学. 2019(10)
[3]利用嗜神经病毒跨突触追踪神经网络研究进展[J]. 张志建,靳森,朱续涛,贾凡,王华东,刘青,何晓斌,徐富强. 生命科学. 2014(06)
本文编号：3102166
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)湖北省
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３动作电位发放时记录的ＢＯＬＤ信号及街离子信号示意图（引用于［６２］）??
中含有大量的质子，室温条件??下的也能产生足够检测的ＮＭＲ信号。热平衡状态下，大量质子自旋磁矩产生的沿??外磁场方向的磁化强度常用宏观磁化矢量Ｍ。（单位体积的磁化强度）表示。样品??中沿外磁场方向排列的质子密度称为自旋密度，Ｍ。与自旋密度成正比［６４’?６５］。??频率为Ｌａｍｏｒ频率的射频脉冲能激发磁场中进动的自旋发生核磁共振，并使??宏观磁化矢量转离Ｂ。方向（ｚ方向）。假设ＲＦ脉冲使纵向磁化矢量Ｍｚ翻转９０度，??到达横向平面（ｘ－ｙ平面），将得到幅度为吣的横向磁化矢量Ｍｘｙ?（图１．４）。ＲＦ脉??冲停止后，平面以Ｌａｍｏｒ频率绕Ｂｎ方向自由进动，切割垂直于ｘ－ｙ平??面的接收线圈，并在线圈中感应出随时间变化的感生电动势，这就是ＮＭＲ中获得??的信号，此信号大小与吣的关系为：??ｓｉｇｎａｌ?〇ｃ?Ｍｚｏｊ〇?ｃｏｓ?ｃｏ〇ｔ?．．．?（１．３）??ｚ?Ｚ??Ｂ〇?“??、?ＲＦ??．．－為??Ｘ’?Ｘ’??图１．４施加９０°射频脉冲后，乩被翻转成匙（修改自Ｂ５］）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?４?Ａｆｔｅｒ?ａｐｐｌｙｉｎｇ?ａ?９０°?ＲＦ?ｐｕｌｓｅ，?Ｍｚ?ｉｓ?ｆｌｉｐｐｅｄ?ｔｏ?Ｍｘｙ??事实上，ＲＦ脉冲停止后，还有一个重要的因素会影响磁化矢量的大小，进而??影响信号强度，这个因素就是弛豫。弛豫是偏离平衡态的宏观磁化矢量恢复到平??衡态的过程，它分为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫产生于自旋与临近原子的相??互作用，故又称为自旋－晶格她豫，它表示纵向磁化矢量从某个值Ｍｚ向它的最大??值也就是平衡值Ｍ。增长的过程，用时间１＼表示增长的速率，称之为纵向弛豫时??１４??
?第１章绪论???间（图１．５Ａ）。横向弛豫是由局部进动频率不同造成的自旋相位的发散，故又称??为自旋－自旋弛豫，它描述的是横向磁化矢量Ｍｘｙ向它的最小值零衰减的过程，用??横向弛豫时间Ｔ２表征其速率（图１．５Ｂ）。??Ａ?Ｍｚ＝Ｍ０（ｌ?－ｅ－，／ＴＩ）?Ｂ?Ｍ、ｖ?＝?Ｍ０１?１２??＾０??ｊ??Ｍｚ?＾??Ｉ?６３％Ｍ０??ｖ?１?Ｌｉｚ???Ｔ１?ＴＩＭＥ?１２?ＴＩＭＥ??图１．５?Ｔ：恢复曲线及１衰减曲线??Ｍｚ?＝?Ｍ〇（ｌ?－?ｅ－＾）；?＝?Ｍｏｅ－＾??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?５?Ｇｒａｐｈｉｃａｌ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?Ｔｉ?ａｎｄ?Ｔ２?ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅｓ??ｈｔｔｐ：／／ｍｒｉｑｕｅｓｔｉｏｎｓ．?ｃｏｍ／ｂｌｏｃｈ－ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．?ｈｔｍｌ？ｔｄｓｏｕｒｃｅｔａｇ＝ｓ＿ｐｃｔｉｍ＿ａｉｏｍｓｇ??Ｌ、Ｌ与自旋密度是物体或组织的特征属性，也是ＭＲＩ技术中的重要参数。??在实际情况中，由于外磁场不可能完全均一，以及样品不同组分具有不同的磁化??率，因而不同位置的质子受到的磁场强度会略有不同，从而导致它们以不同的频??率进动。这与Ｔ２弛豫一样能造成自旋失相位，引起信号的衰减。我们将同时受自??旋－自旋她豫、外磁场不均匀性以及样品磁化率不均一三种因素影响的信号衰减??称为Ｔ／衰减，Ｔ／总是小于％，即Ｔ／衰减比Ｔ２衰减更快［６４］（图１．６）。??Ｍ，ｖ?［Ｖ??、、?Ｔ２?妓减??３７％?－Ｖ－???｜?＾一－Ｔ２＊?袞减???｜?？?Ｉ－?－???Ｔ２＊?Ｔ２??图１．６?Ｔ２＆Ｔ／衰减曲线（
【参考文献】：
期刊论文
[1]Rabies Virus Pseudotyped with CVS-N2C Glycoprotein as a Powerful Tool for Retrograde Neuronal Network Tracing[J]. Xutao Zhu,Kunzhang Lin,Qing Liu,Xinpei Yue,Huijie Mi,Xiaoping Huang,Xiaobin He,Ruiqi Wu,Danhao Zheng,Dong Wei,Liangliang Jia,Weilin Wang,Anne Manyande,Jie Wang,Zhijian Zhang,Fuqiang Xu. Neuroscience Bulletin. 2020(03)
[2]神经环路示踪工具病毒的研究进展[J]. 韩增鹏,施祥玮,应敏,郑宁,李梅,张志建,吴阳,王华东,王杰,胡亮,贾凡,徐富强. 分析化学. 2019(10)
[3]利用嗜神经病毒跨突触追踪神经网络研究进展[J]. 张志建,靳森,朱续涛,贾凡,王华东,刘青,何晓斌,徐富强. 生命科学. 2014(06)
本文编号：3102166
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