无标记光学成像实现人类白质微结构自动化测量

时间:2026-04-29 11:09 来源:中国新闻网作者:未知点击:次

白质通路使大脑的远距离区域能够相互通信，支撑记忆、情绪和语言。其中一条通路——钩束（uncinate fasciculus）——连接颞叶前部与额叶区域，在情绪调节和情景记忆中发挥关键作用。研究人员开发出一种无标记光学成像方法，能够自动测量人类白质微结构（如轴突密度、髓鞘完整性、纤维走向），无需外源性染色或标记。该技术利用偏振敏感光学相干断层扫描（PS-OCT）和二次谐波生成（SHG），结合机器学习算法，从新鲜或固定的脑组织切片中提取微结构参数。与传统的组织学染色（需要使用有毒染料并由训练有素的病理学家进行主观评分）相比，这种无标记方法更快、无偏倚、可定量，且不破坏样品（样品可供后续分子分析使用）。这可能彻底改变神经病理学检查（例如，评估多发性硬化症、阿尔茨海默病中的白质受累情况）以及脑图谱构建。

背景：白质微结构评估的现状与局限

传统方法

方法	原理	缺点
组织学染色（Luxol Fast Blue，银染）	使用化学染料结合髓鞘或轴突；病理学家对染色强度/模式进行主观评分（半定量）。	- 耗时（数小时至数天） - 需要有毒试剂 - 主观性（观察者间信度低） - 破坏性（无法回收样品用于其他检测）
电子显微镜	超高分辨率（纳米级）可视化轴突和髓鞘。	- 极低通量（每个样本仅分析微小区域） - 昂贵 - 需要专业样品制备（固定、切片、染色） - 破坏性
扩散张量成像（DTI）（活体MRI）	测量水分子扩散的各向异性（分数各向异性）；宏观尺度。	- 分辨率有限（1-2 mm体素） - 间接测量微结构（不完全特异）

未满足的需求

一种高通量、定量、无标记（无染色）、接近组织学分辨率（微米级）且不破坏标本的技术，用于死后脑组织或活检组织。

无标记光学成像方法

方法	原理	微结构敏感性
偏振敏感光学相干断层扫描（PS-OCT）	检测组织的光延迟（双折射），源自髓鞘的有序脂质双层结构。	髓鞘完整性：髓鞘丢失会降低双折射。
二次谐波生成（SHG）	非线性光学效应；在微管（轴突细胞骨架）和排列的胶原蛋白中产生信号。	轴突密度：信号强度与轴突数量成正比。
双光子激发荧光（TPEF，用于对照）	检测NAD（P）H或色氨酸的内在荧光。	细胞代谢（补充信息）

工作流程

从死后的人脑组织块（例如，来自脑库的颞叶、额叶）中采集样本。
在磷酸盐缓冲盐水中成像新鲜组织（或固定）。
PS-OCT/SHG扫描（数分钟至数十分钟覆盖数mm²区域）。
机器学习（U-Net架构）自动分割纤维束，计算纤维方向，并输出：

相对轴突密度（SHG信号强度）
髓鞘完整性指数（PS-OCT延迟）
纤维取向分布（方向直方图）

核心发现（对钩束的验证）

终点	传统组织学（Luxol Fast Blue/银染）	无标记PS-OCT/SHG	一致性
髓鞘完整性（正常组织）	深蓝染色	高双折射信号	两者匹配（定性）
髓鞘丢失（多发性硬化斑块）	染色丢失	低双折射	强相关（r=0.85-0.95）
轴突密度	银染纤维计数（耗时）	SHG信号强度（自动）	强相关（r=0.80-0.90）
结果输出时间	数天（固定+切片+染色+人工评分）	~10-30分钟（扫描）+ 1小时（计算）	显著加速
样品破坏	是（切片）	否（可回收）	可保留样品

纤维取向（示例：钩束）

PS-OCT揭示了钩束随其在颞叶和额叶之间走行时的平滑曲率，与扩散张量成像纤维追踪相符（但分辨率更高）。

优势与转化潜力

1. 高通量神经病理学评估

多发性硬化症：自动量化白质斑块区域内的髓鞘损失百分比，可应用于整个冠状切片（数cm²）以产生客观评分。
阿尔茨海默病：评估白质少突胶质细胞/髓鞘退变（已知在疾病早期发生）。
脑小血管病：测量白质疏松（脑白质高信号）中的轴突密度。

2. 脑图谱构建（例如，人类脑计划）

基于PS-OCT/SHG的白质图谱可以生成区域性纤维取向图和髓鞘含量，作为MRI图谱的地面真值。

3. 临床转化（术中/围手术期）

对手术切除的脑组织（如癫痫相关病变、肿瘤边缘）进行快速（<30分钟）微结构评估，以确定白质浸润程度（如在弥漫性胶质瘤中），从而辅助手术决策。

4. 与分子测定兼容

成像后，组织可被匀浆用于蛋白质组学或RNA测序（可能消除对染色和固定步骤的需求；测试中可实现），允许将微结构特征与分子谱直接关联。

局限性

方面	细节
深度限制	PS-OCT/SHG在未切片组织块的穿透深度有限（约200-500μm）；为了实现更深（厘米）分析，仍需物理切片。
缺乏细胞特异性	无标记信号反映轴突和髓鞘整体，但不能区分轴突类型（例如阿兹海默病中易受影响的特定神经元亚群）。
离体而非在体	目前，需要使用死亡后组织；活体PS-OCT进行深部脑成像受散射和颅骨厚度限制（不适用）。
定性到定量（校准）	不同设备之间SHG信号强度的归一化尚未标准化。

未来方向

手持式/探针式PS-OCT：在活体神经外科手术过程中应用于脑表面，实时评估白质微结构（例如，针对肿瘤浸润的边缘）。
整脑成像：结合光学清除方法（如被动清除技术，iDISCO），并对整个小鼠或人脑半球进行无标记成像。
深度学习增强：训练神经网络直接从原始PS-OCT数据预测疾病诊断（例如，区分进行性多发性硬化与复发缓解型多发性硬化，基于白质微结构的差异）。

关键信息摘要

项目	内容
技术	无标记光学成像：偏振敏感光学相干断层扫描+二次谐波生成
目标	人类白质微结构（轴突密度、髓鞘完整性、纤维方向）
对比传统	更快（数分钟 vs. 数天），无染料，可定量且无偏倚，非破坏性（后续可进行分子检测）。
验证	钩束（uncinate fasciculus）；强相关性与Luxol Fast Blue/银染（r>0.8）
转化潜力	神经病理学（多发性硬化症、阿尔茨海默病），脑图谱，术中评估（手术切除边缘）。
局限性	穿透深度限制；离体（目前）；缺乏细胞特异性
下一步	脑表面探针；全脑清除；深度学习诊断

(责任编辑：泉水)

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