基于高分辨率microCT的坐骨神经3D神经束图谱构建

《Scientific Reports》：Mapping the fascicular morphology and organization of the human sciatic nerve via high-resolution MicroCT imaging

　　

摘要

植入式神经假体可以恢复脊髓损伤后的站立和行走，以及肢体缺失后的躯体感觉。然而，当前的方法往往无法可靠地激活对直立稳定性和移动能力至关重要的腘绳肌，也无法针对传入纤维以恢复感觉。我们开发了一种新颖的方法，利用高分辨率微计算机断层扫描（microCT）来可视化和追踪沿人体坐骨神经分布的、支配不同腘绳肌的神经束组。从防腐处理的人体尸体中解剖并取出双侧坐骨神经，标注分支目标名称，并用磷钨酸染色，然后在 11.4 μm 各向同性分辨率下进行 microCT 扫描。图像通过 3D U-Net 卷积神经网络进行分割。分割结果用于量化形态学指标并追踪沿约 25 厘米神经的神经束组织。将 MicroCT 重建图像与组织学横断面进行验证对比。大体解剖显示左右坐骨神经的近端到远端分支相匹配：通往股二头肌长头（lhBF）的分支、通往大收肌腘绳肌部分和半膜肌（HAM/SM）的分支，以及通往半腱肌（ST）的分支。所有分支均起源于内侧，并沿下内侧轨迹延伸。坐骨神经的无分支长度表现出不对称性，尤其是腰骶根到第一分支之间（左侧 5.5 厘米 vs. 右侧 1.5 厘米）以及 lhBF 到 HAM/SM 分支之间（左侧 9.0 厘米 vs. 右侧 16.5 厘米）。MicroCT 分析显示神经束直径（约 0.4 毫米）和神经束总数（约 83）存在双侧对称性，但支配腘绳肌的神经束数量存在不对称性（左侧约 7，右侧约 9）。3D 神经束图谱显示，腘绳肌神经束聚集在坐骨神经横断面的前内侧部分。作为一个组合群体，支配腘绳肌的神经束（ST, HAM/SM, lhBF）在其分支点近端长达 15.9 厘米的范围内与非腘绳肌神经束保持分离。我们的基于 microCT 的方法能够高效地对坐骨神经等大型复杂周围神经内部的神经束组织进行高分辨率 3D 映射，克服了之前的技术局限。该方法学提供了坐骨神经束组织的基础高分辨率解剖图谱。这些数据为未来的计算建模提供了必要的几何输入，并为未来研究中测试电极放置和选择性激活策略提供了假设依据。