全脑尺度神经环路快速三维显微成像与数据处理新技术

The microscopic study of the connectivity and activity of neural circuits at the whole-brain scale is a key approach for dissecting the function and mechanisms of neural system. For all brain mapping and neural circuits dissecting of model animals from rodents to non-human primates, because of the tremendous data volume, the imaging speed and data throughput have become the technical bottle neck for the development of the field. Therefore, the development of new techniques of fast whole brain mapping has become the pivot for resolving neural circuits. Previously, we have developed a series of whole-brain imaging and viral labeling techniques. In this proposal, we will further develop and optimize techniques including ultrahigh-speed whole-brain mapping, tissue clearing, viral tracing, activity dependent labeling and big data processing and analyzing, to establish a high efficient solution for mapping and dissecting the neural connectivity and activity at whole-brain level for multiple species. As demonstration of principles, we will apply these techniques for mapping out the connectivity and activity of specific functional neural circuits at the whole brain level for mice, tree shrews and marmosets. All these new techniques we aim to develop and optimize will generally benefit all circuit studies, and will definitely contribute to fundamental studies of the mechanisms of brain function including emotion and memory.

在全脑尺度对神经环路联结与活动的显微成像研究是解析神经系统各种功能和机制的一个关键途径。对于从啮齿类乃至灵长类等模式动物的全脑图谱绘制和环路解析，由于数据量大，显微成像速度和通量已成为限制领域发展的技术瓶颈。因此发展快速全脑显微成像及相关技术是高效解析神经环路的关键。本项目拟基于团队前期初步研发的快速三维成像技术以及环路示踪等工具，进一步发展和完善快速全脑三维显微成像系统以及相应的组织透明化样品处理、神经环路病毒示踪与活动依赖标记、以及大规模显微图像数据处理等技术，形成不同物种全脑神经元联结与活动图谱的高效绘制和环路解析方案，并作为示例，应用于解析小鼠、树鼩、和狨猴的若干特定功能环路的全脑联结及活动图谱。此一系列新技术的发展和完善对神经环路研究具有普适性的应用价值，将为推动情感、记忆等重要脑功能的机制研究做出积极贡献。

在全脑尺度对神经环路联结与活动的显微成像研究是解析神经系统各种功能和机制的一个关键途径。对于从啮齿类乃至灵长类等模式动物的全脑图谱绘制和环路解析，由于数据量大，显微成像速度和通量已成为限制领域发展的技术瓶颈。因此发展快速全脑显微成像及相关技术是高效解析神经环路的关键。.在本项目的研究中，我们完善和发展了介观尺度的快速全脑光学成像技术VISoR，开发了高效的系统控制策略，对光学和机械系统的稳定性进行了完善和发展，并拓展了大样品、多通道成像能力，实现更加高效的小鼠全脑连接和活动图、以及更大动物如狨猴、猕猴的整脑图谱绘制。同时，我们发展了新的透明及折射率匹配的方法，使得对于猕猴脑切片的皮层和白质区域均能获得很清晰的荧光图像且可以在透明后有效保存尼氏染色反映的细胞形态，并开发了样品自动切片收集系统，提高了样品处理的成功率。我们也开发了高亮的PRV逆向跨多级示踪工具，开发以SFV为对象用于神经细胞快速稀疏精细标记的工具系统，开发高亮型顺向跨多级HSV示踪工具，建立标记非人灵长类神经环路的rAAV标记工具系统和大规模高效制备rAAV的新型Bac系统。在全脑数据处理中的关键技术中，我们根据脑成像数据高位深、纹理细节丰富等特点，提高三维小鼠脑图像的压缩效率；开发了针对大体积微米精度成像产生的海量图像数据的分层级三维重构方法；提出了结合两种色调映射，兼顾全局处理和局域处理的方案；我们还开发了基于深度学习的细胞分割分析技术，与已有图谱校准的脑区分割，和基于这些技术的核团信息定量分析技术。在此基础上，我们进行了用于解析小鼠和非人灵长类的全脑联结及活动图谱的示例研究，包括嗅球CRH神经元的分布特性以及参与调控本能防御行为的环路，并利用新的VISoR2成像系统和样品制备及数据处理流程初步实现了灵长类神经元投射图谱绘制。.此一系列新技术的发展和完善对神经环路研究具有普适性的应用价值，可为推动情感、记忆等重要脑功能的机制研究做出积极贡献。