IF50.5｜1微米各向同性分辨率小鼠脑立体定位图谱

首个单细胞分辨率小鼠全脑Nissl图谱，支持任意角度切片与立体定位手术规划。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

脑立体定位图谱是神经科学研究的基础工具，用于确定脑内结构的空间位置。近年来，空间转录组和单神经元形态重建等研究已进入单细胞分辨率时代，迫切需要能够在单细胞水平进行空间定位的参考脑图谱。传统小鼠脑图谱基于数百张Nissl染色冠状切片，切片间隔达数百微米，无法观察结构的连续变化，且难以进行精确的三维重建。此外，传统图谱的矢状面和水平面切片来自不同样本，导致不同方向上的结构识别不一致。虽然已有基于自身荧光的通用坐标框架（CCF），但其分辨率较低（轴向100微米），且缺乏细胞构筑信息，难以满足单细胞水平定位需求。

科学问题

卡在哪里： 现有脑图谱要么是二维的，切片间隔大且方向不一致；要么是三维的，但分辨率低且缺乏细胞构筑细节。因此，缺乏一个具有单细胞分辨率、各向同性、包含完整细胞构筑信息的三维小鼠脑参考图谱，以支持空间转录组和单神经元形态数据的精确空间定位。

本文要回答： 构建一个基于Nissl染色、具有各向同性1微米分辨率的小鼠全脑三维立体定位图谱，并提供配套的可视化与分析工具。

技术路线

作者主要用了：MOST连续切片成像、Nissl染色、免疫组化、特定基因型神经元分布、fMOST、MRI。

作者首先利用改进的Nissl染色方法和MOST技术获取了小鼠全脑三维细胞构筑图像，分辨率为0.35×0.35×1微米，经处理成各向同性1微米分辨率并映射到CCF进行形态校正。然后以冠状面为主，结合多种辅助数据集（免疫组化、原位杂交、特定基因型神经元分布等）进行脑区划分，共标注916个结构。接着将冠状面标注扩展到矢状面和水平面，并进行平滑优化。最后重建所有结构的三维形态，并开发了基于网络的任意角度切片浏览、脑片配准、神经元环路映射和虚拟立体定位手术规划等服务。

图 1　Fig. 1。图1展示了STAM的冠状、矢状和水平切面，以及重建的三维脑轮廓和任意角度切面。b部分显示不同脑区以不同颜色标注的矢状和水平图谱。c部分展示层级化解剖本体和等皮层的三维地形。d部分演示任意角度切面的生成。e部分显示STAM的基本信息。

核心亮点

亮点 1｜各向同性1微米分辨率全脑细胞构筑图像

利用MOST技术获得小鼠全脑Nissl染色三维图像，原始分辨率0.35×0.35×1微米，经处理为各向同性1微米。该数据集可清晰显示神经元和胶质细胞的形态与分布，用于区分不同脑区的边界。例如，通过观察皮层分层模式的变化可确定不同皮层区域之间的边界；通过观察胞体密度、大小和形态的差异可识别皮层下结构。此外，1微米的轴向分辨率允许连续追踪小核团（如三角隔核）的出现和消失，而传统图谱因切片间隔大无法精确显示。

图 2　Fig. 2。图2a显示MOST-Nissl数据集的原始冠状、矢状和水平切面，交点处立方体为随机选取的体积，右下角放大显示神经元胞体。b部分显示STAM细胞构筑图像的矢状切面。c部分放大b中皮层区域，显示从五层到六层分层的过渡。d部分显示同一数据集在b中指示位置的冠状面。e部分放大d中方框区域。f部分展示用于辅助标注的多种数据集示例。g部分展示皮层深度方向的细胞构筑剖面。h部分展示通过非线性配准引入的海马结构分区。i部分展示综合多源信息生成的冠状图谱。

亮点 2｜916个脑结构的三维重建与精细地形

基于20微米投影厚度的冠状面标注，重建了916个脑结构的三维形态，包括185个最详细皮层区和445个最详细皮层下区。重建模型保留了纤维穿透孔等精细解剖特征。例如，丘脑模型显示了纤维穿透形成的孔洞；嗅结节的三层结构及其中嵌入的Calleja岛也被成功重建。此外，对第二躯体感觉区进行了六层细分。这些精细地形为单细胞水平数据定位提供了基础。

图 3　Fig. 3。图3a显示从标注图像重建的胼胝体三维模型，插图示其两个不同尖端。b部分冠状细胞构筑图像证实这些尖端是真实解剖特征而非重建伪影。c部分展示纤维束的分级重建和全脑纤维系统整合。d部分显示丘脑的纤维穿透孔。e部分展示嗅结节三层结构和Calleja岛。f部分展示第二躯体感觉区的六层细分。g部分展示三维可视化平台上的单神经元形态数据与脑区关系查询。

亮点 3｜任意角度切面揭示隐藏解剖特征

STAM支持任意角度切面生成，投影厚度可在1-20微米间选择。这一能力揭示了传统切面无法观察到的解剖特征。例如，内侧缰核的纤维束只有在特定角度（从前腹侧到后背侧）的切面上才能完整显示。初级躯体感觉皮层的桶状场也仅在偏离标准角度时可见。此外，仅5.6°的偏航角变化即可导致多个皮层区域（如初级运动区、后顶叶联合区等）从斜切面上消失，凸显了提供非标准切面的必要性。

图 4　Fig. 4。图4a显示在STAM透明三维脑轮廓内的任意角度图谱平面，红绿蓝环控件可交互调整俯仰、滚转和偏航。b部分显示从MOST-Nissl数据集以相同角度重切的细胞构筑图像，右上角为放大区域。c部分展示内侧缰核（蓝色）和周围纤维结构（银色），虚线平面表示标准切面，蓝色平面表示非标准方向。d和e部分展示初级躯体感觉皮层桶状场在偏离角度下的显示。f和g部分比较标准和非标准矢状面，显示5.6°偏航角导致多个皮层区域消失。

亮点 4｜单神经元环路映射与精细投射分析

将1644个单神经元形态数据整合到STAM中，建立了全脑连接图。利用STAM可查询任意脑区的传入和传出连接。例如，新标注的海马结构CA1sod的传入神经元来自NDB和LSr，其胞体、分支点和终末可在三维空间中定位。进一步分析发现，CA3spi的传出神经元主要投射到同侧和对侧海马，少量轴突到达LSc和LSr；而CA3sod的传出神经元主要投射到内侧隔核、背侧脚核等深层结构。定量比较显示不同亚区和亚层的投射偏好差异。此外，STAM还可定位神经元的分支点，揭示纤维在特定结构（如海马伞）内分支后再投射到目标核团。

图 5　Fig. 5。图5a展示将单神经元形态数据整合到STAM的流程。b部分基于1644个神经元的全脑连接图，粗线表示CA和CNU之间的投射，相邻文本显示每个方向的神经元数量。c部分展示在可视化平台上查询CA1sod的传入和传出连接，绿色和橙色线分别表示来自LSr和NDB的输入。d部分显示来自LSr（绿色）和NDB（橙色）的传入神经元，胞体用匹配颜色点标记。e部分比较CA3spi和CA3sod的投射路径。f部分定量比较不同亚区和亚层的投射差异。g部分展示虚拟立体定位手术服务，为小核团A13自动计算注射路径并避开用户指定区域。

亮点 5｜新增236个脑区标注与跨图谱映射

STAM与CCF相比新增了236个脑区和核团，主要得益于1微米分辨率数据提供的更精细细胞构筑信息。这些新增结构包括更细的分层（主要分布在嗅区和CNU）和更详细的亚区（主要分布在下丘脑和中脑）。例如，Calleja岛等岛状结构直径仅几十微米，STAM仍能显示其位置和完整三维地形。此外，通过整合特定基因型神经元分布、原位杂交和免疫组化数据，细化了ACB、未定带和PAG等结构的分区。同时，STAM与CCF、WHS和MBSC等图谱建立了空间映射关系，支持跨图谱导航和数据转换。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： MOST连续切片成像、Nissl染色、免疫组化、特定基因型神经元分布、fMOST、MRI
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事空间转录组、单神经元形态重建、神经环路追踪或立体定位手术的研究人员。

带走一句

单细胞分辨率空间组学数据需要匹配的参考图谱；STAM提供了各向同性1微米细胞构筑基础，可作为空间转录组和单神经元形态数据的标准定位框架。