偏光感応型光干渉断層計と二光子顕微鏡を統合したマルチスケールラベルフリーヒト脳イメージング

Multi-Scale Label-free Human Brain Imaging with Integrated Serial Sectioning Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography and Two-Photon Microscopy.

抄録

ヒトの脳における神経変性過程の研究においては、細胞構造、骨髄構造、血管構造を包括的に理解する必要がある。しかし、標準的な組織学的処理に起因する組織の歪みや欠損は、ヒト脳の変形を伴わない再構成を妨げてきた。無傷の脳構造を計測できるマルチスケールかつボリュメトリックなヒト脳イメージング技術の開発は、技術的に大きな進歩である。ここでは、ヒト脳組織の散乱、複屈折、自家蛍光を含むラベルフリーのマルチコントラストイメージングを提供するために、統合された連続切片偏光感応型光コヒーレンストモグラフィ（PSOCT）と2光子顕微鏡（2PM）の開発について述べる。4×4×2cmのサンプルブロックをハイスループットで再構成し、PSOCT画像と2PM画像をシンプルにレジストレーションすることで、ミエリン含有量、血管構造、細胞情報を包括的に解析できることを実証する。面内解像度の2PM画像は、同じサンプル上のPSOCT光学特性マップによって提供される細胞情報の顕微鏡的検証と濃縮を提供し、皮質層全体にわたる高度な毛細血管網とリポフスチンで満たされた細胞体を明らかにすることを示す。この方法は、アルツハイマー病（AD）や慢性外傷性脳症（CTE）などの神経変性疾患における脱髄、細胞喪失、微小血管の変化など、さまざまな病理過程の研究に応用できる。

The study of neurodegenerative processes in the human brain requires a comprehensive understanding of cytoarchitectonic, myeloarchitectonic, and vascular structures. Recent computational advances have enabled volumetric reconstruction of the human brain using thousands of stained slices, however, tissue distortions and loss resulting from standard histological processing have hindered deformation-free reconstruction of the human brain. The development of a multi-scale and volumetric human brain imaging technique that can measure intact brain structure would be a major technical advance. Here, we describe the development of integrated serial sectioning Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography (PSOCT) and Two Photon Microscopy (2PM) to provide label-free multi-contrast imaging, including scattering, birefringence and autofluorescence of human brain tissue. We demonstrate that high-throughput reconstruction of 4×4×2cm sample blocks and simple registration of PSOCT and 2PM images enable comprehensive analysis of myelin content, vascular structure, and cellular information. We show that 2 in-plane resolution 2PM images provide microscopic validation and enrichment of the cellular information provided by the PSOCT optical property maps on the same sample, revealing the sophisticated capillary networks and lipofuscin filled cell bodies across the cortical layers. Our method is applicable to the study of a variety of pathological processes, including demyelination, cell loss, and microvascular changes in neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease (AD) and Chronic Traumatic Encephalopathy (CTE).