发育大鼠脑成像数据分析算法的研究及软件平台的建立

Molecular imaging techniques have been widely used for the investigation of human brain developing. And several valuable results of human brain developing have been published on Nature. Imaging experiments of animals are important in the investigation of brain developing, for example, the investigation of the influence of Gene, environment and drug and so on in brain growth. Because of the differences among infancy rat and adult rat in brain shape, size, and structures and so on, the software platform used for image analysis of adult rats are not suitable in infancy rat studies. Therefore, this study will divide the growth of rat brain into three stages, such as neonatal rat (P7), infancy rat (P21) and adult rat (P60). The rat brain template and digital atlas of P7 and P21 will be constructed in our study. And the software platform for developing rat brain imaging data analysis will also be established, comprising quantitative analysis platform based on ROI, voxel-by-voxel statistical analysis platform for functional images based on SPM, and morphological analysis platform for structural images based on VBM. Furthermore, a comprehensive platform used for data analysis of rat brain images will be established together with the software platform used for adult rats which we constructed before.

无创的分子影像技术目前已经被广泛应用于人脑发育的研究中，已经得到了很多非常有价值的结果。动物实验在脑发育研究中具有不可替代的作用，如基因敲除、生存环境、药物干预等因素对脑发育的影响都需要利用发育动物模型进行研究。由于处于发育阶段的幼年大鼠的脑形状、尺寸、以及脑组织结构等均与成年大鼠存在较大差异，因此，目前已有的适用于成年大鼠脑成像数据分析的软件平台并不适用于幼年大鼠脑成像的数据分析。本研究将根据常用的方法将大鼠脑发育划分为新生鼠（P7）、幼鼠（P21）和成年鼠（P60）三个阶段，主要进行P7、P21两个发育阶段的大鼠脑成像数据处理方法的研究，并最终建立适用于发育大鼠脑成像数据分析的软件平台：主要包括基于ROI的定量分析平台；基于SPM的脑功能成像逐像素统计分析平台；基于VBM的脑结构成像形态学分析平台。该平台结合我们已经建立的成年大鼠脑成像数据分析平台可以形成完整的大鼠脑成像数据处理平台。

分子影像技术，如磁共振成像技术（MRI）等，为脑发育的研究提供了无创的在体研究手段。动物脑成像实验在脑发育研究中具有不可替代的作用，例如基因突变、药物等因素对脑发育的影响都需要首先使用动物模型进行研究。发育脑成像的数据处理是医学影像技术与生物学连接的桥梁。对脑发育成像进行客观的统计分析，就能够充分的挖掘图像数据中的具有生理学意义的信息。目前，随着动物脑成像实验的广泛开展，如何对成像数据进行客观的统计分析是目前亟待解决的问题。因此，本课题在三年执行期间，主要完成了以下五方面的工作：.首先，确定并优化了发育大鼠MRI脑成像的数据采集方法和数据采集参数。本课题提出在扫描床底部垫上琼脂糖，以消除活体发育期大鼠脑成像的伪影。.第二，建立了各个发育阶段多种成像模态的发育大鼠标准脑模板，包括MRI T2WI脑模板、BOLD脑模板等。主要用于多种成像模态发育大鼠脑成像的空间标准化，以及感兴趣区的自动提取。为了使所建立的标准脑模板具有普遍的通用性，本课题所建立的发育大鼠标准脑模板涵盖了所有的鼠脑组织结构，包括嗅球、大脑和小脑。.第三，建立了各个发育阶段大鼠脑灰质、白质、脑脊液的组织概率图，主要用于发育大鼠脑结构成像的逐像素形态学分析（VBM）。综合利用标准脑模板和脑组织概率图就能够完成发育大鼠脑成像在原始空间的图像分割，使得脑结构图像的形态学分析不仅能够进行脑组织结构的密度分析，还能够进行脑组织结构的体积分析。.第四，建立了各个发育阶段的大鼠标准脑地图集，主要用于对统计分析结果的精确定位。其中新生鼠脑地图集在出生后第0天的大鼠脑切片的基础上建立，有精细的脑组织结构划分，包含608个脑结构区域和65个脑功能区域；幼鼠阶段的脑地图集在MRI成像的基础上建立，包含66个脑功能区域；成年鼠阶段的脑地图集在成年立体定位脑图谱的基础上建立，同样具有精细的脑组织结构的划分，包含634个脑结构区域和66个脑功能区域。.最后，建立了发育大鼠脑成像逐像素统计分析平台，包括用于发育大鼠脑功能成像的逐像素统计分析平台；用于发育大鼠脑结构成像的逐像素形态学统计分析平台；和基于感兴趣区的发育大鼠脑成像的定量分析平台。