基于细胞构筑的小鼠全脑尺度血管三维精细结构定量研究

发布时间：2018-04-11 00:25

本文选题：血管 + 细胞　；参考：《华中科技大学》2014年博士论文

【摘要】：脑是人体中最重要也是最复杂的器官。然而,人类至今对脑的内部精细结构和工作机理知之甚少。脑由紧密关联的神经元、胶质细胞和血管组成,在系统水平理解其精细构筑对理解脑功能和工作机理、解析脑功能信号、理解一些神经精神疾病发生机理和脑发育过程都有重要的意义。然而,受限于标记成像和图像处理方法,哺乳动物(比如小鼠)脑的血管-细胞构筑分析仍然局限在局部皮层,缺乏在多个层次的全脑范围定量研究。为此,本文构建了在全脑范围系统性定量分析血管-细胞精细构筑结构的方法,并应用该方法在功能柱、脑区和全脑水平等不同空间尺度,展开了正常成年小鼠脑的血管与细胞构筑特征的研究。本文基于显微光学切片断层成像系统采集的尼氏染色和印度墨水灌注小鼠全脑图像数据集,设计实现了海量图像血管-细胞矢量化和定量分析方法。其中,针对血管的矢量化,本文重点解决了三个关键技术问题：①采用迭代式追踪的矢量化方案,克服传统骨架化方法易受噪声和背景不均匀干扰的问题；②采用无形状和尺度假设的追踪方法,克服模型匹配方法难以同时追踪大血管和毛细血管的问题；③设计模块化的算法,在血管追踪过程中,根据管径变化自动选择适用的模块,在高信噪比的大血管中使用快速计算模块,在低信噪比的小血管中使用高鲁棒性模块,实现快速而准确的追踪。图像中的细胞基于FARSIGHT软件进行矢量化。基于矢量化结果,本文设计了同时定量分析血管-细胞构筑的软件,并实现了四种参数的计算：血管长度密度、血管体积比密度、细胞个数密度和细胞到最近血管距离。此外,为克服全脑血管分析的速度问题,本文设计了基于片段的数据结构,实现了滑动窗口内节点的快速检索和计算。利用已构建的方法,本文分别在功能柱、脑区和全脑水平研究了正常鼠脑血管-细胞构筑特征。在功能柱水平,本文研究了桶状皮层功能柱间血管-细胞分布特异性和相似性问题。在皮层的第IV层,发现穿透血管和微细血管在功能柱间有特异性分布,而穿透血管分叉对于邻近桶存在跨越性连接和选择性连接。这些直接三维重建和定量分析结果与经典的桶状皮层血管供应模型和国际同行的近期相关研究结果都存在差异,可能表明血管在功能柱间的分布特异性比现有认识更为复杂。在全脑范围的脑区水平,本文矢量化和分析了六个典型脑区(前额叶、初级运动皮层、桶状皮层、初级视觉皮层、纹状体和杏仁核)的血管-细胞构筑。计算各个参数间的相关性,发现细胞到最近血管距离和血管长度密度存在显著的线性相关性,这个结果有助于血管成像结果的数据解析。在全脑水平,本文首次实现了完整小鼠脑血管的矢量化,并构建了一个全脑血管长度密度谱。密度谱的构建对于脑代谢和脑功能成像研究有重要的意义。总之,本文构建了在全脑范围定量研究血管-细胞精细三维构筑的方法,并应用于正常成年小鼠脑的研究。这一高度整合的方法为精细的血管-细胞构筑提供了一个系统性的研究视角,打开了在正常、发育和疾病状态哺乳动物脑中探索血管-细胞构筑的窗口。
[Abstract]:The brain is the most important and most complicated organ in the human body . However , the human brain has little knowledge about the internal fine structure and the working mechanism of the brain . The brain consists of closely related neurons , glial cells and blood vessels . It is important to understand the brain function and the working mechanism , analyze the brain function signal , understand the mechanism of neuropsychiatric diseases and the process of brain development .

In this paper , the method of vectorization and quantitative analysis of mass image vascular - cell vectorization is designed based on the data set of nishi staining and Indian ink perfusion mice collected by micro - optical slice imaging system . In this paper , we focus on the vectorization of blood vessels .
( 2 ) It is difficult to trace the problems of large blood vessels and capillary vessels simultaneously by using the method of non - shape and scale hypothesis , which overcomes the difficulty of model matching .
( 3 ) In order to overcome the velocity problem of total cerebral vascular analysis , this paper designs a data structure based on fragment , which realizes the fast retrieval and calculation of the nodes in the sliding window .

In this paper , we studied the vascular - cell distribution specificity and similarity in functional columns , brain regions and whole brain .

In conclusion , this paper constructs a method for quantitative study of vascular - cell fine three - dimensional architecture in the whole brain region , and is applied to the study of normal adult mouse brain . This highly integrated approach provides a systematic study view of vascular - cell architecture and opens a window for the exploration of vascular - cell architecture in normal , developmental and diseased mammalian brain .

【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R741

【参考文献】