三维扫描技术通过新型三维嵌入重叠协议连接微电路与宏观脑成像

本方案首次将3D扫描技术引入解剖学，特别是神经解剖学研究领域，并实现了高精度的重叠效果。三维神经嵌入重叠法（即3D神经方案）可将微米级无菌套管嵌入宏观脑图像中，从而无缝连接这些不同的空间尺度。我们还需将3D神经方案应用于人类磁共振成像（MRI）及死后脑组织。

重叠成像使我们能够识别与疾病相关的已知 MRI 对比模式。三维扫描系统对提取的生物体周围的水分非常敏感，因此必须非常仔细地擦除水分。此外，该操作必须尽快完成。

从文本方案中所述的小鼠准备、MRI采集及设备准备开始此操作。在第二天，使用手术剪刀沿已处死小鼠的矢状缝切开头皮。然后从人字缝点开始，使用手术剪刀向位于前囟前方不远处的点沿对角方向剪开颅骨。

然后，使用弯头镊子轻轻将颅骨从脑组织上剥离。用解剖铲托起脑组织，转移至含有冰冻切割液的培养皿中。使用外置气体喷射装置，通过调节旋转泵速度，向冰冻切割液中通入含95%氧气和5%二氧化碳的气体，以产生细小气泡。

一到两分钟后，将脑组织置于表面经面粉筛轻微覆盖的超细纤维布上。使用超细纤维布轻轻擦拭脑组织表面的液体。将脑组织背侧朝上放置于样品台。

然后，将样品台放置在自动转台的中心。在进行三维扫描时，将房间调暗，并对转台上的样品进行三维扫描。为测试三维扫描是否正常工作，点击“三维扫描”，设置相邻两次拍摄之间的角度为22.5度，起始角度为0度，终止角度为360度。

将脑组织转移至培养皿中，并在切割液中通气约10秒。使用解剖刀沿冠状面中线将脑组织切成两块，然后用手术铲轻轻将两块脑组织转移至平坦表面。

使用瞬干胶将脑组织块固定在脑块底座上。在一到两分钟内，用超细纤维布轻轻而小心地擦拭脑表面的液体。然后再次进行三维扫描。

将刀片安装到振动切片机的刀片夹上。将覆盖脑组织块底座中心的黑色胶带贴至振动切片机切削台的中心位置。向切削台中倒入切削液，并将切削台放置到振动切片机上。

调整切片速度和振幅。从两个脑组织块上各切出2到5片厚度为300微米的冠状切片。若条件允许，保持切片槽内溶液持续通气。

通过将切割速度设为12.7毫米/分钟，频率设为87至88赫兹，振动幅度设为0.8至1.0毫米，来优化系统的切割速度、频率和振动幅度。在切割脑片时，以包含前后坐标、半球及其他条件的格式记录所切脑片的坐标。使用粗塑料移液管将脑片轻柔转移至装有预热人工脑脊液（ACSF）的烧杯中。

将脑片置于烧杯中，在约 34 摄氏度条件下孵育一小时。在此期间，对切片台上剩余的脑组织块进行三维扫描。随后，将多电极阵列（MEA 芯片）放置在记录装置上。

使用两根管路将芯片连接至蠕动泵。其中一根管路用于将相同的ACSF导入MEA芯片，另一根管路用于将ACSF从MEA芯片导出。将连接在两根管路末端的两根针头固定在MEA芯片壁的顶部。

用尖端沿MEA芯片内壁固定其位置。将ACSF的流速设置为4.1 RPM。按照文本方案中所述进行MRI数据处理，以提取皮层体积。

为了进行 MRI 图像处理，请下载免费的 3D Slicer 软件。打开使用 3D Slicer 中的体渲染和编辑器模块生成的提取脑组织的 MR 图像。将模式从编辑器切换为体渲染，然后单击目标按钮，使脑图像居中显示在屏幕中央。

选择 MRT-2 脑部模式，并通过移动偏移滑块调节阈值。然后，从体渲染模式返回编辑器，点击阈值效果按钮。应用标签 41，即大脑皮层。

然后，在表单清单中将文件格式从 VTK 更改为 STL，将脑表面数据保存为 STL 文件。对一次扫描序列中从八个或十六个不同角度获取的八幅或十六幅图像进行自动配准，以校正微小的错配。操作时，点击对齐选项中包含的全局配准功能，并整合图像。

从不同角度重复扫描以获取完整的脑表面。如果来自不同角度的图像未能成功整合，请点击“手动对齐”，并选择一对固定图像和移动图像。通过在不同图像中选取三个或四个共同点，开始进行图像的手动对齐。

然后，点击“确定”。优化算法采用迭代最近点算法，不包含非线性形变。通过选中所有图像并点击网格生成按钮，对所有配准后的图像生成网格。接着，选择“小型艺术物体”选项，以获得最高分辨率的网格。

将图像保存为STL二进制格式或ASCII格式。然后，打开MRI表面，并使用表面处理软件将其与3D扫描表面合并。执行与之前相同的手动配准过程。

然后，再次保存这些配准后的表面图像。如有必要，通过擦除脑区周围的小噪声（特别是在 MRI 数据的情况下）以及填充任何孔洞（特别是在 3D 扫描数据的情况下）来清理各个表面数据。最后，使用 MATLAB 等数据分析软件打开表面数据。

生成并评估两个表面之间最小距离的直方图。距离的评估基于通过剥离MRI体积获得的皮层表面与从提取的大脑3D扫描获得的表面之间进行。距离直方图的众数值仅为55微米。

此外，在从距离为零的点开始累积直方图时，累积值在约 300 微米处达到总样本数量的 90%。两个表面之间距离的最终直方图显示，在约 50 微米处出现一个典型的峰值。从宏观角度来看，该众数值对应于几何限制，即来自 MRI 体素尺寸的 100 微米。

这一点间接表明，MRI 与 3D 扫描之间的重叠算法运行得极为出色，且 MRI 和 3D 扫描的噪声水平均被有效抑制至较低水平。本方案首次将扫描技术提升应用于生物有机体，而该技术最初仅用于纯粹的工程需求。

将该技术应用于医学领域可以解答新的科学问题。在完成3D扫描后，我们可以结合钙成像、膜片钳记录技术，从时间分辨率、空间分辨率以及可记录细胞数量等方面获得互补性信息。本方案所提供的高精度重叠性能，将使解剖学空间尺度与零空间尺度之间的无缝关联比以往更加真实可靠。