杜克小鼠脑图谱：首个整合MRI与光片显微镜的三维立体定位脑图谱

杜克大学团队通过磁共振组织成像(MRH)和光片显微镜(LSM)技术，构建了首个覆盖全脑、分辨率达15 μm的三维立体定位小鼠脑图谱(DMBA)，解决了现有脑图谱空间扭曲和跨尺度数据整合难题。该图谱整合了14种MRH对比度、17种LSM分子标记及颅骨标志，为神经科学研究提供了跨分子、结构和功能研究的统一空间框架，成果发表于《Science Advances》。

　　

论文解读

研究背景

神经科学研究长期面临一个核心挑战：如何将跨尺度、跨模态的脑数据整合到统一的空间框架中。尽管小鼠作为模式生物被广泛应用，但现有脑图谱如Franklin-Paxinos图谱(FP)基于非连续切片，艾伦脑图谱(ABA)和通用坐标框架(CCFv3)存在组织处理导致的几何畸变，而Waxholm空间(WHS)缺乏立体定位标志。这些缺陷使得从宏观MRI(10^-3 mm³)到单细胞数据(10^-8 mm³)的跨尺度对齐困难重重，严重制约了神经疾病模型、连接组学和细胞图谱研究的可比性。

研究设计与技术方法

杜克大学团队通过五项关键技术构建DMBA：(1)对5只C57BL/6J雄性小鼠进行颅骨内固定，采用9.4T超高场MRI实现15 μm各向同性分辨率的扩散张量成像(DTI)和多梯度回波(mGRE)扫描；(2)25 μm微CT定位颅骨标志点(前囟点bregma和人字缝lambda)；(3)光片显微镜(LSM)获取17种免疫标记的全脑细胞图谱；(4)采用q空间微分同胚重建(QSDR)算法整合22个样本创建最小变形模板(MDT)；(5)将CCFv3标签集映射至DMBA空间校正几何畸变。

研究结果

平均MRH图谱
通过五例样本的平均化处理，信噪比提升使皮层分层（如CA1区锥体细胞层）和丘脑核团边界清晰可见。扩散加权图像(DWI)与平均扩散系数(MD)分别突出髓鞘结构和细胞密度，其中小脑浦肯野细胞层在径向扩散系数图像中呈亮信号（图3）。

立体定位CT
微CT确定的bregma-lambda距离(4.31±0.31 mm)作为立体定位基准，与FP图谱网格对齐误差<300 μm（图S6），解决了传统图谱因颅骨移除导致的轴向倾斜(~4°)和体积偏差(局部差异达80%)。

标签系统
优化的缩减版CCFv3标签集(RCCFv3)整合308个结构，通过MD和彩色FA图像辅助边界修正（图4）。例如，内囊(红色)与终纹(蓝色)在纤维取向编码的ClrFA图像中明确区分。

扩散张量数据
108方向采样和3.2×10⁷角度/mm³的超高分辨率指数，使海马苔藓纤维投射等精细连接得以可视化（图S8），较临床DTI分辨率提升2.4×10⁶倍。

群体NeuN图谱
四例LSM样本经畸变校正后，CA1区神经元密度测量误差<20 μm（图6），克服了传统组织处理导致的区域性体积膨胀(16.3% y轴)和压缩(5.7% x轴)。

结论与意义

DMBA首次实现了从颅骨标志到单细胞水平(<5 μm)的全脑三维立体定位，其13 TB多模态数据集具有三大突破：(1)通过颅骨内成像消除组织变形，为神经退行性疾病体积测量提供金标准；(2)14种MRH对比度与LSM分子标记的互补性，可验证BICCN细胞普查数据的空间准确性；(3)校正后的CCFv3标签使ABA的461个结构获得真实立体坐标。该成果为阿尔茨海默病模型的多尺度研究、跨品系遗传分析及人脑图谱跨物种比对建立了不可替代的参考框架。