----改编自Britton Chance生物医学光子学研究中心新闻：http://bmp.hust.edu.cn/xwdt/show.php?uid=647

2010 年 11 月 4 日 ，由Britton Chance生物医学光子学研究中心李安安、龚辉、张斌（三人为并列第一作者）、王青蒂，严程，吴景鹏，刘谦，曾绍群，骆清铭（责任作者）共同完成的“显微光学切片层析成像获取小鼠全脑高分辨率图谱”工作，在国际顶级科技期刊《SCIENCE》 “科学快讯”栏目发布了网络版，同时《SCIENCE》期刊以“科学新闻”方式专门配发了背景介绍。

以下是对该工作的简介：

在科学技术进步极大地促进了人类对于世界万物认识理解的今天，被视为所有生物体中最复杂的器官��脑，仍然是最大的未解之谜。

人类大脑包含大约1000亿个神经细胞，在哺乳类动物的大脑中，感知外界、记忆等等功能主要依赖于神经细胞的聚集体或神经网而不是单个神经细胞。神经细胞通过从细胞胞体发出的神经纤维上微小的突起，彼此间形成称之为突触的连接结构进行信息传递。通过突触，每个神经细胞都会接受成百上千来自的其它神经细胞的信息传入，同时也将信息向外传递到数量相当的神经细胞去。也就是说，大脑中数量巨大的神经细胞是由复杂性难以想象的神经纤维联系着，据估计一个典型的神经元可以接收来自多于6000个突触的信息。

众所周知，脑的解剖结构是理解脑功能和脑疾病的基础。因此，从十九世纪以来，人们不断地尝试用直观的图像和图谱，从神经纤维连接水平、神经细胞、神经环路、脑区、全脑等不同层次和水平，帮助神经科学家们认识和理解脑结构的高度复杂性。

现有的全脑图谱的每张图片之间的间隔是在数毫米以上，即使是可以在大体水平对脑进行三维成像的磁共振技术，分辨率最高的功能核磁共振仪大约为每立方毫米1个像素，而这其中却是包含了约3亿个突触的活动信息。

由于典型的神经细胞胞体的直径只有大约20微米，连接神经细胞的突起直径仅约1微米。因此，为了能够在全脑范围内对神经网络的位置、形态和相互连接进行研究，构建高分辨率的三维全脑结构数据集，看到脑细胞功能的构筑，图象采集的空间分辨率至少要达到一个微米。

在2002年完成的小鼠基因组测序工作，证实了小鼠与人类在基因水平上有90%以上的同源性，也就是说小鼠和人类起源于同一个祖先。小鼠作为生命科学和医学研究中哺乳动物类的代表，有其不可动摇的地位。研究小鼠的成果有很大的可能性是可以推演到人类的。

该中心研制了一台显微光学切片层析成像系统，用于在介观层次（准微观，指介于微观与宏观之间，纳米与毫米之间）获取小鼠全脑神经元连接信息。系统主要由切片机、光学显微镜和图像采集装置组成，采用成像和切片同时进行的方式。系统工作时，切片机将样本切成宽约450微米条带状薄片，随即对被切起的样本条带薄片进行成像。光学显微镜为反射式的明场显微镜，图像采集采用时间延迟积分的线扫描CCD。系统的所有设计，尤其是光路设计，有效地降低了系统的复杂度，以实现在长时间不间断数据采集中的自动化、稳定性和高分辨能力。

以一个五周龄成年昆明雄性小鼠的脑为样本，使用该中心改进的Golgi-Cox染色方法先对鼠脑进行染色，再用Spurr树脂进行包埋，整个样本制备的时间约半年。

随后，使用该中心研制的系统对制备的鼠脑进行了切片成像。采集数据时，切片厚度为1微米，使用浸水物镜成像。采集整个鼠脑的数据连续用了242小时，共获得15380层冠状断面图像，未压缩的总数据量超过8220GB。图片的像素分辨率为0.3x0.3微米。

利用高定位精度的三维移动平台，及在切片中采用对先采取到的信息进行验证分析的方法，保证了图像空间定位的准确性，从而有效避免了显微图像采集后通常存在的图像配准这一难题。对原始数据进行预处理后，得到神经元和神经突起的三维图像。在对小脑处的部分神经元重建结果中，该中心发现相邻的浦肯野细胞存在彼此靠近的现象，这对已有的认识是一个新的补充。

该中心建立了可对数厘米大小样本进行亚微米水平精细结构三维成像的方法和技术，填补了介观（准微观）成像研究的空白。发明并研制了一台基于切片的显微光学成像仪器，该仪器实现了全自动化，具备长时间高质量采集数据的能力，且数据无需配准。利用该仪器，我们实现了突起水平（一微米分辨率）的小鼠全脑结构成像，获得了一套来自同一只小鼠的全脑组织切片图谱。初步利用预处理和三维重建方法分析了原始数据。在现有的结果中，神经元的形态和空间位置以及突起的走向都可以清晰分辨。这种介观水平的小鼠全脑神经解剖图谱，为数字化鼠脑结构和脑功能仿真研究提供了重要的基础性实验数据集。

显微光学切片层析成像系统有望用于构建不同脑疾病鼠全脑的图谱，及鼠全脑内血管微循环的精细结构网。结合荧光鼠脑样本技术的进展，还可以高分辨地获得鼠脑功能连接图谱。此外，显微光学切片层析成像系统可以推广应用到对其他数厘米大小的昆虫、动物的胚胎、局部器官、植物、甚至某些材料等等进行高分辨率三维结构成像。

这项研究由国家自然科学基金和教育部长与创新团队发展计划联合资助。