Введение
3D Polarized Light Imaging (3D-PLI) - это уникальный метод измерения пространственной ориентации нервных волокон с разрешением в несколько микрон.
Ориентации волокон получены путем измерений преломления двух лучей от неокрашенных гистологических срезов мозга, которые интерпретируются на основе анализа вокселей, то есть каждому вокселю мозговой ткани назначается один вектор 3D ориентации. Трехмерная реконструкция изображений последовательных срезов участка мозга с помощью регистрации изображений, дает виртуальную модель мозга, отражающую локальную ориентацию волокон, которую можно визуализировать в виде трехмерного векторного поля.
Чтобы сравнить такие модели волокон с существующими схемами и атласами парцелляций, модель должна быть перенесена в общее пространство атласа. Наложение такого атласа с моделями волокон позволяет провести глубокий анатомический анализ ориентации волокон в трехмерном пространстве на основе вокселей.
Материалы и методы
Модель ориентации волокон была получена из измерений всего мозга лабораторных крыс. Мозг был последовательно разрезан с помощью криостат микротома на 446 срезов толщиной 60 мкм каждый. Срезы последовательно сканировались с помощью поляриметрической системы собственной разработки (т.е. большого поляриметра) и подвергались специализированному анализу.
После трехмерной реконструкции срезов путем последовательного применения аффинной и B-сплайновой регистрации изображений модель была перенесена в общее эталонное пространство для грызунов, в атлас Ваксхольма, с использованием методов аффинной и эластичной записи 3D-изображений. Сгенерированная модель ориентации нервных волокон крысы состоит из трехмерного векторного поля с размером 588 ×723 × 413 вокселей и с размером вокселя 64 × 64 × 60 мкм. Общий объем набора данных составляет 2,1 гигабайта.
Чтобы визуализировать модель ориентации волокон, вектор трехмерной ориентации для каждого вокселя был выделен и представлен в виде масштабируемого глифа, то есть в виде линий, кубоидов или цилиндров. Чтобы улучшить визуальное восприятие от ориентации волокон, векторы имели цветовую кодировку с использованием RGB, HSV или специального черного цветового пространства HSV. Парцелляции пространственного атласа Ваксхольма использовались в качестве масок для визуализации ориентации волокон в интересующих анатомических областях (ROI). Кроме того, оболочка мозга, полученная из реконструированной модели мозга, была визуализирована вместе с векторным полем, чтобы сохранить анатомический контекст для наблюдателя.
Результаты
РИСУНОК 1: Визуализация на основе атласа позволяет проводить анатомические исследования волоконной архитектуры 96 структур, таких как мозолистое тело (А), гиппокамп (В), стриатум (С) и субкулум (D). Цвета (в цветовом пространстве HSV) указывают на ориентацию волокон.
На рисунке 1 показано использование парцеллярных атласов для отображения ориентации нервных волокон в анатомическом ROI. Графический пользовательский интерфейс позволяет выбирать между 96 структурами атласа. В качестве примеров, было визуализировано мозолистое тело (Рис. 1A), гиппокамп (Рис. 1B), стриатум или полосатое тело (Рис. 1C), и субкулум или основание гиппокампа (Рис. 1D). После выбора анатомической зоны, сложная структура волокон может быть исследована под разными точками зрения и увеличения и с помощью инструментов для вращения, перемещения и масштабирования, как показано на рисунке 2. На рисунке 3 более подробно показана структура волокон мозолистого тела. Отображаемые ориентации волокон раскрывают сложную сеть волокон и пучков волокон в мозолистом теле. Инструмент визуализации показывает, что ориентация волокон в мозолистом теле не ограничивается пучками, идущими параллельно в области средней линии, а затем размыкающимися, а скорее показывает архитектуру с частично резкими изменениями ориентации и волокнами, пересекающими мозолистое тело ортогонально, включая области близкие к средней линии.
РИСУНОК 2: вид корональной структуры волокна мозолистого тела; внизу слева - корональная часть Вакхольмского атласа (А). Оранжевые стрелки указывают на мозолистое тело в 3D-модели ориентации волокна (B). Взаимодействие с моделью облегчает визуальный анализ в различных ракурсах, например, вращение влево (C) и вправо (D).
РИСУНОК 3: Увеличение масштаба модели ориентации волокна в мозолистом теле позволяет по-новому взглянуть на архитектуру волокон. Визуализация показывает различные ориентации и взаимосвязи, например, ориентации волокна слева направо (стрелка 1), справа налево (стрелки 2 и 5 под разными углами), слева направо (стрелки 3 и 4), сверху вниз (стрелка 6). Круги указывают на различные участки, где ориентации волокон перпендикулярны друг другу. Обозначает области с волокнами, идущими перпендикулярно плоскости изображения.
Кроме того, данный метод позволил преодолеть проблему путаницы и переплетения изображений, которая является типичной проблемой визуализации векторного поля. Благодаря скрытию интересующих структур, количество визуализируемых данных было уменьшено, что позволило интерактивно изучать ориентацию волокон.
Заключение
Была введена и испытана методика для упрощения получения трехмерных изображений высокого разрешения структуры нервных волокон, полученных с помощью технологии 3D-PLI. Использование обработанных парцелляций с применением атласа мозга представляет собой мощный инструмент для интерпретации топограммы волокон, а также для улучшения визуализации в анатомическом ROI. Это позволило по-новому взглянуть на сложную волоконно-оптическую архитектуру мозга крыс, и раскрыло различные ориентации и взаимосвязи волокон и пучков волокон.
Векторные наборы данных с высоким пространственным разрешением на основе PLI, являются необходимыми условиями для комплексной трактовки структуры волокон, например, выявления раздувания волокон мозолистого тела при переходе от средней линии к более сагиттальному участку. С помощью этого инструмента визуализации были обнаружены волокна и пучки волокон, движущиеся в рострокаудальном направлении, неожиданно близкие к мидсагинальной плоскости мозолистого тела, в которых доминируют волокна, соединяющие два полушария.
