偏光感応型光コヒーレンストモグラフィー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

ヒトの脳における加齢と神経変性過程の研究には、細胞構造、骨髄構造、血管構造を包括的に理解することが必要である。近年の計算機技術の進歩により、数千枚の染色スライスを用いたヒト脳の体積再構成が可能となったが、標準的な組織学的処理に起因する組織の歪みや欠損が、変形を伴わない再構成の妨げとなっている。ここでは、ヒト脳組織の散乱、複屈折、自家蛍光を含む無傷の脳構造のラベルフリーマルチコントラストイメージングを提供する、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）を統合したシステムについて述べる。著者らは、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画像の間で簡単なレジストレーションを行うことで、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している。高解像度の2PM画像は、同じサンプル上のPSOCT光学特性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、大脳皮質と白質に密に詰まった線維、毛細血管、リポフスチンで満たされた細胞体を明らかにした。このイメージングシステムにより、ミエリンの分解、リポフスチンの蓄積、微小血管の変化など、老化過程における様々な病理学的特徴の定量的な特徴付けが可能になることが示され、今後の神経変性疾患の研究に多くの可能性が開かれた。

The study of aging and 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. Here, the authors describe an integrated serial sectioning polarization-sensitive optical coherence tomography (PSOCT) and two photon microscopy (2PM) system to provide label-free multi-contrast imaging of intact brain structures, including scattering, birefringence, and autofluorescence of human brain tissue. The authors demonstrate high-throughput reconstruction of 4 × 4 × 2cm sample blocks and simple registration between PSOCT and 2PM images that enable comprehensive analysis of myelin content, vascular structure, and cellular information. The high-resolution 2PM images provide microscopic validation and enrichment of the cellular information provided by the PSOCT optical properties on the same sample, revealing the densely packed fibers, capillaries, and lipofuscin-filled cell bodies in the cortex and white matter. It is  shown that the imaging system enables quantitative characterization of various pathological features in aging process, including myelin degradation, lipofuscin accumulation, and microvascular changes, which opens up numerous opportunities in the study of neurodegenerative diseases in the future.