斯坦福大学发现利用简单的灯光技巧就能揭示隐藏的大脑通路微观细节

微观纤维秘密地塑造了身体每个器官的运作方式，但直到现在，它们一直是出了名的难以研究。一种名为ComSLI的新成像技术仅使用旋转LED灯和简单的显微镜设备就能以惊人的细节揭示隐藏的纤维方向。它适用于任何组织载玻片，从新鲜样本到超过一个世纪的样本，使科学家能够发现阿尔茨海默氏症等疾病的微观结构变化，甚至探索肌肉、骨骼和血管的结构。

　　

人体的每个组织都含有极小的纤维，这些纤维有助于协调器官的运动、功能和交流。肌肉纤维引导身体的力量，肠纤维支持消化道的运动，而大脑纤维携带电子信号，允许不同的区域交换信息。这些复杂的纤维系统共同帮助塑造每个器官的结构，并保持它们的正常运作。

许多疾病破坏了这些脆弱的网络。在大脑中，几乎所有的神经系统疾病都出现了纤维连接的损伤，这导致了神经交流的改变。

尽管这些微观结构起着至关重要的作用，但它们的研究一直具有挑战性。研究人员一直在努力确定纤维在组织内的定向，这使得很难完全理解它们在健康和疾病中是如何变化的。

揭示隐藏微观结构的简单方法

由神经成像讲师Marios Georgiadis博士领导的一个研究小组现在已经引入了一种方法，使这些难以看到的纤维模式以非常清晰的清晰度和相对较低的成本可见。

他们的技术被称为计算散射光成像（ComSLI），发表在《Nature Communications》杂志上。它可以在几乎任何组织学载玻片上以微米分辨率显示组织纤维的方向和组织，无论它是如何染色或保存的——即使载玻片已经有几十年的历史了。

Michael Zeineh医学博士，放射学教授，与Miriam Menzel博士（Zeineh实验室前访问学者）共同担任资深作者。

“关于组织结构的信息一直都在那里，隐藏在显而易见的地方，”Georgiadis说。“ComSLI只是为我们提供了一种查看这些信息并将其绘制出来的方法。”

ComSLI如何映射光纤方向

传统的成像策略有很大的局限性。MRI可以突出大的解剖网络，但不能捕捉到微小的细胞结构。组织学技术通常需要专门的染色、高端设备和精心保存的样本，而且它们仍然难以清晰地描绘纤维交叉。

ComSLI依赖于一个基本的物理原理：当光遇到微观结构时，它会根据它们的方向向不同的方向散射。通过旋转光源并记录散射信号的变化，研究人员可以重建图像中每个像素内纤维的方向。

该方法只需要一个旋转的LED灯和一个显微镜相机，与其他形式的高级显微镜相比，使设置更容易。收集图像后，软件分析散射光中的精细图案，生成纤维方向和密度的彩色编码图，称为微结构信息纤维方向分布。

ComSLI不受样品制备的限制。它适用于福尔马林固定，石蜡包埋切片（医院和病理实验室的标准）以及新鲜冷冻，染色或未染色的载玻片。

科学家们还可以重新审视原本为不相关的项目制作的幻灯片，甚至是那些储存了几十年的幻灯片，在不改变样本的情况下，获得新的结构见解。

“这是一个任何实验室都可以使用的工具，”Zeineh说。“你不需要专门的准备或昂贵的设备。最让我兴奋的是，这种方法为任何人打开了大门，从小型研究实验室到病理学实验室，从他们已经拥有的幻灯片中发现新的见解。”

绘制神经结构与疾病

神经科学的一个主要目标是高精度地绘制大脑的微观路径。利用ComSLI， Georgiadis和他的同事可视化了用福尔马林固定、石蜡包埋的人脑切片和标准尺寸的幻灯片，揭示了整个组织中详细的纤维结构。

他们还研究了这些纤维在多发性硬化症、脑白质病和阿尔茨海默病等神经系统疾病中是如何变化的。

其中一个重点是海马体，这是一个大脑深处的区域，对记忆的形成和提取至关重要，经常在神经退化的早期受到影响。当将阿尔茨海默病患者的海马切片与健康样本进行比较时，研究小组观察到明显的结构退化。通常帮助连接海马体区域的纤维交叉点大大减少，负责将记忆相关信号带入该区域的主要途径（穿孔途径）几乎不可见。相比之下，健康的海马体在整个区域显示出密集且相互连接的纤维网络。有了这些详细的地图，研究人员可以看到随着疾病的发展，记忆回路是如何分解的。

为了测试这种方法的局限性，研究人员分析了1904年制作的大脑切片。即使在这个有一个世纪历史的样本中，ComSLI也发现了复杂的纤维模式，使科学家能够研究历史标本，并探索结构特征如何在疾病的几代之间进化。

大脑以外的应用

虽然ComSLI最初是为大脑研究而设计的，但它在其他组织中也能很好地发挥作用。研究小组用它来研究肌肉、骨骼和血管样本，每个样本都揭示了与其生物功能相关的独特纤维排列。

在舌肌中，该方法强调了与运动和灵活性相关的分层纤维方向。在骨骼中，它捕获了与机械应力一致的胶原纤维。在动脉中，胶原蛋白和弹性蛋白层交替存在，这两种蛋白层同时支持强度和弹性。

这种绘制跨物种、器官和档案标本纤维方向的能力可以显著改变科学家研究结构和功能的方式。这也意味着世界各地数以百万计的存储幻灯片可能包含未开发的微观结构信息。

Georgiadis说：“尽管我们刚刚提出了这种方法，但已经有很多人要求扫描样本并复制ComSLI的设置，因此许多实验室和诊所希望在其组织学切片上具有微米分辨率的纤维定向和微连接。另一个令人兴奋的计划是回到具有特征的大脑档案或名人的大脑部分，并恢复这些微连接信息，揭示被认为长期丢失的‘秘密’。这就是ComSLI的魅力所在。”