來(lái)自德國(guó)、荷蘭和意大利的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，可以使用散射光來(lái)繪制大腦中的神經(jīng)纖維路徑交叉點(diǎn)，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論X》期刊上，研究展示了在透射顯微鏡中光散射以及它在人腦中揭示的東西。

人腦研究的一部分，涉及尋找建立構(gòu)成神經(jīng)纖維的三維路徑架構(gòu)工作。這類研究的標(biāo)準(zhǔn)工具是偏振顯微鏡，它可以創(chuàng)建微米分辨率的三維圖像。

但這類研究工作的一個(gè)失敗點(diǎn)是：交叉點(diǎn)，即一個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)在物理上與另一個(gè)交叉。目前的技術(shù)不能確定哪些纖維在頂部，就像高速公路橋一樣，或者纖維是否像鄉(xiāng)村公路那樣簡(jiǎn)單地相交。在這項(xiàng)新研究中，研究人員找到了一種前所未有的詳細(xì)繪制路徑交叉點(diǎn)的方法。為了克服傳統(tǒng)偏振顯微鏡的缺陷，研究人員在傳統(tǒng)透射顯微鏡中尋找以前沒(méi)有研究過(guò)的數(shù)據(jù)。

發(fā)現(xiàn)，在顯微鏡下透射光的效果，取決于纖維相對(duì)于光傳播方向的角度，研究人員利用這些信息創(chuàng)建了數(shù)值模擬，顯示附加信息可以用來(lái)區(qū)分交叉的面內(nèi)纖維和指向平面外的纖維。利用從模擬中學(xué)到的東西，對(duì)實(shí)際神經(jīng)組織進(jìn)行了額外的顯微鏡研究。在這樣做的過(guò)程中，研究人員展示了一種能以前所未有的細(xì)節(jié)重建腦組織繼代培養(yǎng)的技術(shù)，其中包括神經(jīng)纖維相互交叉時(shí)涉及的角度。

研究人員認(rèn)為，新研究可以通過(guò)創(chuàng)建大腦真實(shí)3D表示來(lái)更好地理解大腦的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)改進(jìn)對(duì)醫(yī)學(xué)掃描的解釋，比如MRS，這項(xiàng)新技術(shù)也可能在其他應(yīng)用中有用，比如研究纖維組織樣本。要解開(kāi)大腦的結(jié)構(gòu)和功能，需要對(duì)神經(jīng)元連接，即神經(jīng)纖維空間結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的了解。三維偏振光成像(3D-PLI)是重建三維神經(jīng)纖維通路最有效的組織學(xué)方法之一。

該技術(shù)測(cè)量腦組織切片的雙折射，并以微米分辨率推導(dǎo)出整個(gè)人腦切片的空間纖維方向。然而，該技術(shù)即使由具有不同取向的纖維組成，對(duì)于每個(gè)被測(cè)量的組織體素也只產(chǎn)生單一纖維取向，因此面內(nèi)交叉纖維被誤解為面外纖維。當(dāng)在大腦中生成三維神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)的詳細(xì)模型時(shí)，正確檢測(cè)和解釋神經(jīng)纖維交叉是至關(guān)重要的。研究利用透射顯微鏡測(cè)量中的光散射來(lái)識(shí)別3D-PLI數(shù)據(jù)中神經(jīng)纖維交叉，并演示了散射模式的測(cè)量可以解析腦組織的亞結(jié)構(gòu)，如神經(jīng)纖維的交叉角。

為此，研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)模擬框架，可以使用時(shí)域有限差分(FDTD)模擬和高性能計(jì)算來(lái)研究透射顯微鏡測(cè)量（特別是光散射）在大規(guī)模復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)(如腦組織)上的測(cè)量。模擬不僅用于模擬和解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，而且還用于開(kāi)發(fā)新的分析方法和測(cè)量技術(shù)。研究在不同物種（嚙齒動(dòng)物、猴子和人類）腦切片上的各種實(shí)驗(yàn)研究和FDTD模擬中表明，與偏振無(wú)關(guān)的透射光強(qiáng)度(透射率)隨著神經(jīng)纖維離面角增加而顯著降低(超過(guò)50%)，并且它基本上與面內(nèi)交叉角無(wú)關(guān)。

因此，透過(guò)率可以用來(lái)區(qū)分低纖維密度區(qū)域和面內(nèi)交叉纖維區(qū)域和平面外纖維區(qū)域，解決了3D-PLI中的一個(gè)主要問(wèn)題，并能更好地重建大腦中復(fù)雜的神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)光光譜中的光散射(傾斜照明)揭示了腦組織的潛在結(jié)構(gòu)，如微米分辨率的神經(jīng)纖維交叉角，使得能夠更詳細(xì)地重建大腦中的神經(jīng)纖維交叉點(diǎn)，并開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。

博科園｜研究/來(lái)自：伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校

參考期刊《自然》

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)