强大的x射线使中尺度脑成像

如果大脑成像可以与谷歌地球相比,神经学家就已经有一个不错的“卫星视图”的大脑,和一个伟大的神经元的“街景”的细节。但在大脑如何计算可以说是行动在哪里,和神经科学的“导航地图视图”有点微薄的。

现在,伊娃代尔领导的研究小组,一个计算机神经学家和电气工程师,成像的大脑在类似或“内消旋”规模使用最强大的x射线。的成像范围概述的大脑细胞间景观水平相关小神经网络,这是大脑的核心计算的能力。

戴尔,他最近加入了乔治亚理工学院和埃默里大学,也通过其研究大脑如何计算信号网络,这种成像技术能有一天打开新的窗户上它们是如何工作的。

高能x射线的

一个强大的x射线断层扫描允许研究人员形象特别厚的老鼠的大脑,这给予他们意见到完整的神经领域远远大于在显微镜成像,是司空见惯的。扫描仪操作在同一个基本原则作为医院CT扫描仪,但这扫描用高能x射线光子生成同步加速器,设施数十个足球场的大小。

“阿贡国家实验室(退火)产生高能x射线在全国同步,”戴尔说,该研究退火的鲍比Kasthuri先进光子源同步。“他们已经研究了各种各样的材料真正强大的x射线。然后他们研究大脑感兴趣。”

这项技术还透露毛细网格交错的大脑组织。他们占据了图像,大脑细胞的细胞体均匀散斑毛细血管像鹅卵石在钢丝绒海绵。

“我们的大脑细胞是嵌入在脉管系统的海洋,”戴尔说,助理教授华莱士·h·库尔特生物医学工程系乔治亚理工大学和艾莫利大学。

神经中只见树木不见森林

电子显微镜已经捕获神经细节令人印象深刻的清晰。功能性磁共振成像(fMRI)使大脑结构的视觉效果和广泛的神经信号。

所以,为什么研究人员甚至需要中尺度成像?

“功能磁共振成像图像在高级别上,和许多显微镜,你放大太远识别的森林树木,”戴尔说。“虽然你可以看到很多,你也会错过很多。”

“如果你看看水平个体神经元的大脑信号,它看起来很神秘,但是如果你后退一步,观察人口数以百计的神经元的活动相反,你可能会看到更简单、更清晰直观地更有意义的模式。”

在早先的研究中,戴尔发现,手的运动方向与可靠的大脑运动皮层神经信号模式。不会发生在单一神经元的信号或几十个,而是跨组数以百计的神经元。中尺度成像揭示了一个空间视图顺序相同的数以百计的神经元。

Megamap梦想

研究人员也能够几个新meso-level和非常详细的电子显微镜成像技术。这有可能让他们更接近一种谷歌地球对大脑通过结合中尺度与放大或街道一样的看法或类似的看法。

“我们已经开始做x射线断层摄影术在大大脑组织,然后我们已经深入到具体的小区域的兴趣相同的组织与电子显微镜看到完整的连接体,”戴尔说。连接体是指总方案的数以百计的单个神经元之间的连接。

研究人员希望有一天可以切换从一个中尺度视图特写镜头,有点像谷歌地球。

归零,然后放大

“我认为我们需要在神经科学是导线在不同尺度的能力,”戴尔说。她设想未来有用的多尺度成像技术在理解神经系统疾病。

“我们希望能够告诉别人研究疾病的潜在解剖实验室样品通过一个自动化的方式,”她说。“你可以使用这种中尺度导航视图的上下文的损害。”

然后用户可以放大到一个动脉阻塞或摧毁组织类似于卫星图像可以放大交通堵塞是什么导致了他们。

从x射线的图形图像

像一个导航地图,最后研究彩色图像,清晰,中尺度图形描述。他们基于x射线断层扫描,但很多参与的x射线图像。

首先,大脑的厚部分旋转的高能x射线,这变成了一个类似于CT扫描仪的输出图像。然后被人类识别和算法结构和特点在他们计算三维之前,彩色血管和细胞的身体。

单个细胞的细节是非常基本的。在神经元,经常细胞核中可见的x射线断层扫描图像,和轴突髓鞘(白质)有时出现。

务实的计算

新的中尺度成像的大脑样本也有务实的优势。

它可能会检查的大脑区域与电子显微镜然后一块一块的计算在一起成一个完整的大脑的图像,但它并不实用。“生产三维地图只是一个立方毫米的大脑电子显微镜需要处理海量的数据,”戴尔说。

相反,研究人员需要100字节的数据来计算一个一立方毫米图像使用中尺度脑组织的x射线断层扫描更厚的大脑部分。但研究人员的目标是没有组织切片。

“最终,我们希望能够形象整个大脑,用这种方法去看他们的神经网络和其他结构的整体。”

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参考:

戴尔,e . L。们,w·G。普拉萨德,j . A。费尔南德斯,h·L。Gursoy D。安德拉德,诉D。,。Kasthuri: (2017)。使用x射线Microtomography量化中尺度神经解剖学。Eneuro 4 (5)。doi: 10.1523 / eneuro.0195 - 17.2017