光聲成像技術(shù)在全腦成像中的突破性進(jìn)展
在腦科學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)大腦功能和結(jié)構(gòu)的深入理解離不開先進(jìn)的成像技術(shù)。傳統(tǒng)的全腦光學(xué)成像技術(shù)，如熒光微光學(xué)切片斷層掃描（fMOST）、雙光子斷層掃描等，雖然能夠提供高分辨率的圖像，但在成像速度和樣品完整性方面存在顯著局限。近日，一項(xiàng)名為PATTERN的新型光聲成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為全腦成像領(lǐng)域帶來了新的突破。
研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
全腦成像對(duì)于揭示大腦功能和疾病機(jī)制至關(guān)重要，但現(xiàn)有技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光學(xué)成像方法，如fMOST和LSFM，雖然分辨率高，但樣品制備過程復(fù)雜，成像速度慢，且可能對(duì)樣品造成破壞，限制了其在大型動(dòng)物模型和個(gè)體水平跨模態(tài)分析中的應(yīng)用。光聲成像（PACT）作為一種新興的成像技術(shù)，結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和超聲成像的高穿透深度，但傳統(tǒng)的PACT系統(tǒng)在分辨率、成像速度和樣品適應(yīng)性方面仍有待提高。
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
PATTERN技術(shù)通過優(yōu)化圖像采集方案和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)離體嚙齒動(dòng)物、雪貂和非人靈長類動(dòng)物大腦的非破壞性、高速、三維成像。其核心創(chuàng)新在于利用光漂白進(jìn)行時(shí)間編碼重建，結(jié)合深度學(xué)習(xí)去除偽影，從而顯著提高了成像質(zhì)量和檢測(cè)靈敏度。
PATTERN采用特殊的樣品固定和成像策略，確保成像過程對(duì)樣品的物理和生物特性影響最小。樣品被固定在含有2.25%瓊脂糖和3%Intralipid-30%的溶液中，以模擬腦組織的光學(xué)特性，并通過定制的光學(xué)快門調(diào)節(jié)激光曝光，保持樣品的生物活性。
時(shí)間編碼與信號(hào)提取
PATTERN利用光漂白的特性，通過單波長操作提取熒光蛋白信號(hào)，避免了光譜重疊問題。在成像過程中，激光脈沖以特定的跳躍序列掃描樣品，導(dǎo)致熒光蛋白發(fā)生光漂白，其信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間衰減。通過記錄這種衰減曲線，并與未漂白的背景信號(hào)分離，PATTERN能夠特異性地檢測(cè)到熒光蛋白的信號(hào)，從而顯著提高了成像的靈敏度和特異性。
深度學(xué)習(xí)與偽影去除
為了進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，PATTERN引入了深度學(xué)習(xí)算法。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DnCNN），PATTERN能夠有效去除成像中的偽影，提高信號(hào)的準(zhǔn)確性。通過在單批次學(xué)習(xí)策略下訓(xùn)練DnCNN，算法能夠識(shí)別并提取真實(shí)信號(hào)附近的偽影，在不造成嚴(yán)重假陰性信號(hào)的前提下，有效消除偽影。
成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
近各向同性光聲成像
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PATTERN系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)近各向同性的三維成像。通過對(duì)不同掃描角度的圖像進(jìn)行多角度融合，系統(tǒng)的空間分辨率得到了顯著提升。以乳膠微球成像為例，單次掃描周期耗時(shí)133秒，沿x、y、z軸的分辨率分別達(dá)到137±15.1微米、115±24.3微米和143±20.1微米，接近各向同性。
PATTERN技術(shù)在熒光標(biāo)簽成像方面表現(xiàn)出色。通過時(shí)間編碼方法，系統(tǒng)能夠有效去除背景信號(hào)，提高熒光蛋白的檢測(cè)靈敏度。實(shí)驗(yàn)中，利用光漂白特性，PATTERN成功區(qū)分了熒光標(biāo)簽和組織背景信號(hào)，檢測(cè)靈敏度相比僅使用強(qiáng)度的方法提高了12倍。
全腦光學(xué)成像
PATTERN技術(shù)在多種動(dòng)物模型的全腦成像中展現(xiàn)了強(qiáng)大的能力。系統(tǒng)能夠?qū)π∈蟆⒋笫蟆⒀鹾歪鹾锏葎?dòng)物的大腦進(jìn)行高幾何保真度的成像，并實(shí)現(xiàn)定量形態(tài)學(xué)分析。通過對(duì)不同腦區(qū)的熒光信號(hào)進(jìn)行成像，PATTERN能夠可靠地檢測(cè)到熒光蛋白的表達(dá)，為神經(jīng)連接的可視化提供了可能。
神經(jīng)連接可視化
PATTERN技術(shù)在神經(jīng)連接成像方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過注射表達(dá)熒光蛋白的病毒載體，研究團(tuán)隊(duì)利用PATTERN成功追蹤了大腦中特定神經(jīng)通路的投射。例如，系統(tǒng)清晰地顯示了前島皮質(zhì)（AI）向紋狀體、丘腦等腦區(qū)的投射，以及背側(cè)扣帶回（dSub）向下游腦區(qū)的投射。
跨模態(tài)數(shù)據(jù)整合
PATTERN技術(shù)能夠與其他成像模態(tài)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)跨模態(tài)的數(shù)據(jù)整合。通過將PATTERN獲取的圖像作為模板，研究團(tuán)隊(duì)能夠校正其他成像方法（如fMOST和LSFM）中由于樣品制備導(dǎo)致的形態(tài)變化，從而獲得具有高分辨率和形態(tài)保真度的全腦圖像。此外，PATTERN還能夠與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，為個(gè)體水平的多模態(tài)分析提供可能。
總結(jié)與展望
PATTERN技術(shù)作為一項(xiàng)創(chuàng)新的光聲成像平臺(tái)，為全腦成像領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇。其非破壞性、高速、三維成像的特點(diǎn)，使得對(duì)同一腦樣品的多次分析成為可能，為跨模態(tài)分析提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用范圍的拓展，PATTERN有望在神經(jīng)科學(xué)研究中發(fā)揮更為重要的作用，為揭示大腦的奧秘提供更為強(qiáng)大的工具。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Chen, Y., Yang, H., Luo, Y. et al. Photoacoustic Tomography with Temporal Encoding Reconstruction (PATTERN) for cross-modal individual analysis of the whole brain. Nat Commun 15, 4228 (2024).
DOI:org/10.1038/s41467-024-48393-z.
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