第一次：讓全腦的每一條血管清晰可見｜前沿

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? 小鼠腦冠狀面和重建的血管圖

撰文 | 邸利會

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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20年前，在武漢的駱清銘團隊有一個夢想：要是有精細的全腦動脈和靜脈血管的三維標準圖譜就好了。那是1997年，這個團隊在國內最早利用近紅外光探測腦血氧的活動。如今，他們離實現這個夢想又近了一步，一套小鼠全腦精細血管的立體定點陣圖譜已經完成。

藏在顱內的大腦儘管只佔人體重的約2%，卻難以置信的消耗了全身總供氧量的四分之一。氧氣和其它的營養物質通過腦血管（特別是極其豐富的毛細血管）供應給腦組織。如果這些管道堵塞或者出血引起中風，腦的部分功能也會異常，身體的一邊無法動彈或失去感覺，無法理解別人說的話，也無法言語，眩暈或一邊失明。

對於腦血管結構異常有關的腦疾病治療，一個基本的問題是，這些複雜的遍布全腦的血管，究竟分布在哪裡？而對於測量血氧水平的腦功能成像，如磁共振成像，由於無法分辨直徑僅為數微米的毛細血管，研究者也想知道，這些信號究竟來自何處？近些年雖然發展了三維光學顯微成像技術，但因為光的散射和吸收，成像深度有限，僅局限在部分腦皮層區域。

在2017年12月19日發表的研究中，這個來自華中科技大學武漢光電國家研究中心的團隊第一次在全腦範圍內系統性構建和標識出了包含動脈，靜脈，微動脈和微靜脈的小鼠精細腦血管圖譜。

這個圖譜的取得依賴於該團隊之前發展的一系列技術，如MOST（Micro-Optical Sectioning Tomography）。這個名為「顯微光學切片斷層成像」的技術，可以長時間自動連續採集1微米軸向解析度的腦切片圖像，由此獲得完整小鼠腦神經圖譜。這一工作發表在2010年的《科學》雜誌上。

?龔輝研究員在武漢的實驗室介紹全腦血管的研究工作。攝影：李曉明

此後，為了構建高解析度的小鼠全腦解剖圖譜，他們繼續研究了小鼠全腦的尼氏染色和樹脂包埋的方法。在一次實驗中，因一位學生忘記操作，有一個樣本的染色時間超過了預定的時間，結果卻因禍得福，有了意外的收穫。「我們想著樣本難得還是對其進行了成像，因為組織著色更深，結果血管壁被襯出來了！」參與該項研究的龔輝研究員告訴《知識分子》。

在看到這個重要現象後，他們以同時在同一個小鼠腦上獲取所有細胞和血管為目標，不斷地優化小鼠全腦的尼氏染色和包埋方案，用MOST系統以0.32×0.32×1微米（百萬分之一米）的解析度，對小鼠全腦進行圖像採集。結果，一個小鼠腦連續採集的冠狀面圖像就達到了10000張，原始數據量達2TB（2000GB）。「正是由於高解析度的三維原始數據，就可以確定小鼠全腦細胞和血管的位置，並重建出連續血管的形態。」龔輝說。

此後，為了建立數字化全腦三維血管圖譜，他們先是建立了血管分割的圖像處理方法，再建立了區分動脈和靜脈血管的方法（以樹型圖譜架構為邏輯體系），並開發了自動追蹤血管的軟體，還建立了新發現的血管的命名規則、資料庫管理方案。「其中來自物理專業的熊本義博士生表現優異，以他清楚的頭腦和多方面的能力，堅持為做出最好的血管圖譜而努力，還有團隊中眾多老師和學生的共同努力，完成了這一具有里程碑意義的基礎知識性工作。」龔輝介紹說。

該研究不僅對完整血管樹進行了三維重建，而且在單細胞水平實現了血管分支起點的立體定位，發現了之前未曾報道的靜脈分支並進行了命名。此外，通過定量分析動脈，靜脈與腦的各個區域的連通性和供血關係，使得人們對動脈血是經過哪些血管分支輸運到腦區或核團，腦吸收養料後的靜脈血又是如何進一步被收集，匯聚有了直觀的認識。

不過，這一工作卻經歷了漫長的投稿過程。「投稿到大家心目中『最牛』的期刊時，編輯和審稿人都認為毫無疑問是重要的基礎性工作，要求補充不同鼠齡的結果進行對比，我們用了大半年時間提供了不同發育時期鼠腦的對比結果。」龔輝說。不過，之後，審稿人又要求再提供腦血管疾病鼠的結果，並給出全腦毛細血管水平的定量分析。

「儘管我們提供了結果說明在600微米範圍就有800根毛細血管，而血管是網路結構的，要重建出全部的毛細血管，就需要把全腦的數據都導入內存進行計算追蹤，但是現有的計算機還不能處理TB數據量，所以難以提供全腦毛細血管的定量分析結果。很遺憾文章還是被拒了。」龔輝說。不過，在考慮到全腦精細血管圖譜是腦科學研究的重要基礎後，研究組覺得不能再等，隨即決定投稿到公開期刊《神經解剖學前沿》（Frontiers in Neuroanatomy）上。

《知識分子》了解到，下一步研究組將建立網站把已構建的小鼠全腦血管圖譜完全公開，便於感興趣的人下載、比較；同時，他們也將運用已建立的技術體系和研究隊伍，構建小鼠不同發育年齡的血管圖譜、腦疾病的血管圖譜。

「將來還要獲取非人靈長類全腦血管圖譜。」龔輝說。順著這一想法，也許可以期待，某一天科學家會交給我們一張人類的全腦血管圖譜——每一條動脈，靜脈，只有數微米的海量毛細血管都清晰可見。

同行點評

徐林（中國科學院昆明動物所研究員）

血管是大腦工作的最根本保障系統。過去臨床研究顯示，血管問題與許多腦疾病存在密切關係，如血管性痴呆症、腦中風等。相關領域均廣泛使用小鼠製作疾病模型開展研究，但人們對小鼠的全腦血管分布知道的很少，也關注很少。龔輝教授團隊的研究成果，將成為一個標準的全腦血管參照模板，不僅有利於對血管形態解剖的認識、立體定位，也將有利於探索在哪些小鼠腦疾病模型中，血管發生了什麼樣的改變。這是一個基礎性的工作，為後續腦功能和腦疾病的研究提供了一個必須的、也非常及時的圖譜。

賈潔敏（浙江西湖高等研究院助理教授）

駱清銘和龔輝等研究人員刻畫了小鼠全腦的動脈和靜脈分布圖，這個工作是類似於打造「辭典」一樣具有非常重要意義的基礎性研究，為腦血管領域提供了一份難能可貴的、可以縱觀全局的參考文獻，尤其是對靜脈分布的研究。這個研究為和腦血管相關的疾病，例如中風，和血氧水平依賴的功能成像提供了解剖基礎。

參考文獻

［1］Xiong B, Li A, Lou Y, Chen S, Long B, Peng J, Yang Z, Xu T, Yang X, Li X, Jiang T, Luo Q and Gong H (2017) Precise Cerebral Vascular Atlas in Stereotaxic Coordinates of Whole Mouse Brain. Front. Neuroanat. 11:128. doi: 10.3389/fnana.2017.00128

［2］Anan Li*, Hui Gong*, Bin Zhang*, Qingdi Wang, Cheng Yan, Jingpeng Wu, Qian Liu, Shaoqun Zeng, Qingming Luo Micro-Optical Sectioning Tomography to Obtain a High-Resolution Atlas of the Mouse Brain. Science 03 Dec 2010: Vol. 330, Issue 6009, pp. 1404-1408 DOI: 10.1126/science.1191776

［3］Wu, J. P., He, Y., Yang, Z. Q., Guo, C. D., Luo, Q. M., Zhou, W., et al. (2014). 3D BrainCV: simultaneous visualization and analysis of cells and capillaries in a whole mouse brain with one-micron voxel resolution. Neuroimage 87, 199–208. doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.10.036

製版編輯：許逸｜

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