微观和宏观方法的结合揭示了大脑不同区域是如何连接的

要了解我们的大脑是如何工作的，就必须研究不同的大脑区域是如何通过神经纤维相互连接的。在最新一期的科学，人类大脑项目(HBP)的研究人员回顾了该领域的现状，提供了关于大脑连接组如何在不同的空间尺度上(从分子和细胞到宏观水平)结构的见解，并评估了现有的方法和理解连接组复杂组织的未来需求。

“光学习是不够的大脑作者和HBP科学主任Katrin Amunts说，她领导着Forschungszentrum神经科学和医学研究所(INM-1) Jülich和大学医院C. & O. Vogt大脑研究所Düsseldorf。

“连接组在多个层面嵌套。为了理解它的结构，我们需要通过多尺度方法结合不同的实验方法，同时观察几个空间尺度，并将获得的数据集成到多级地图集中，例如我们开发的朱利希大脑地图集。”

来自Forschungszentrum Jülich和伍珀塔尔大学物理系的Markus Axer，他是科学他和他在INM-1的团队开发了一种名为3D偏振光成像(3D- pli)的独特方法来可视化神经纤维在微观分辨率。研究人员追踪了一系列大脑部位的三维纤维过程，目的是开发出整个人脑的三维纤维图谱。

Axer和他的团队最近与来自法国Neurospin和意大利佛罗伦萨大学的其他HBP研究人员一起，用解剖学和弥散学等几种不同的方法，对来自人类海马体的同一组织块进行了成像核磁共振成像(aMRI和dMRI)、双光子荧光显微镜(TPFM)和3D-PLI。

像TPFM这样的显微镜方法提供了小脑容量的亚微米分辨率图像，揭示了大脑的微结构大脑皮层但它们在解开连接遥远大脑区域的纤维方面存在局限性，这些纤维构建了深层白质结构。对于电子显微镜测量来说更是如此，电子显微镜可以对一立方毫米的脑组织进行纳米分辨率的观察。相比之下，dMRI可以用于整个大脑水平的神经束造影——可视化白质连接——但不能检测单个纤维或小束。

“3D-PLI是微观和宏观方法之间的桥梁，”Amunts说。“这是因为3D- pli以高分辨率解决了光纤结构，同时，允许对整个大脑部分成像，然后我们可以在3D重建，以追踪光纤连接。”

结合dMRI、TPFM和3D-PLI使研究人员能够在同一参考空间内叠加三种模式。Axer解释说:“这种数据的整合只有通过对同一个组织样本进行成像才能实现。”人类的海马体块从德国到法国，再回到德国，最后到达意大利，在当地高度专业化的设备的帮助下，在不同的实验室进行处理和成像。

然后研究人员使用朱利希脑图谱将他们的数据固定在一个解剖学参考空间。三维地图集包含了超过250个大脑区域的细胞结构图，并形成了HBP的多层次人脑图谱．“我们的大脑图谱使我们能够精确地在大脑中找到这些微结构，”Amunts解释道。的数据集可通过HBP的EBRAINS基础设施公开访问，并可在交互式地图集查看器．

研究人员的多尺度方法结合了不同空间尺度的多种模式，揭示了人类连接组的独特之处，并为人类大脑如何工作提供了令人兴奋的新见解。

尽管海马体重建是一个灯塔项目，但仍有一些正在进行(或即将开始)的国际努力需要在一个开放的图谱级别进行协调，以实现多尺度数据的集成。Amunts和Axer强调，这是揭示在实验可及范围内(从轴突到通路)连接原理的先决条件。

换句话说，要描述和理解人脑的嵌套组织，必须采用一种综合的多尺度方法，将微观和宏观方法结合起来。作者说，这需要对目前的方法进行批判性的重新评估，包括束造影术。