小鼠初级运动皮层锥体神经元形态及投射路径的在职硕士初步分析

这是一篇在职硕士论文，在职硕士按申硕的种类分为单独考试、同等学力申硕和在职攻读硕士。单独考试是先考试后入学的形式，入学可以是全脱产、半脱产、在职学习，修满课程学分和考试及格及论文答辩完成后即可获得硕士学校毕业证和硕士学位证书。（以上内容来自百度百科）今天为大家强烈推荐一篇在职硕士论文，供大家参考。1 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 神经元形态结构的重要性大脑是人体中最为重要也是最为精密复杂的系统，在这个系统中，多个神经元、神经元组、多个脑区相互连接形成复杂的结构网络，以完成脑的各种功能[1]。人和动物的情绪和动机、记忆和学习、语言和思维等神经活动也都需要大脑的参与才能完成[2]。研究表明，大脑结构的异常变化会导致一些神经和精神性疾病的发生，如阿尔兹海默症，抑郁症和帕金森病等[3]。因此，研究大脑的结构不仅可以帮助人类理解自身的一些行为本质还可以为一些神经和精神疾病的早期诊断和治疗提供新的方法思路。而神经元作为大脑结构的基本组成单元，对神经元的研究将帮助人们进一步了解大脑的结构特征。对神经元形态结构的研究主要包括获取其完整的三维数字化重建结果、形态参数的定量化分析以及基于形态结构的细胞分类等。神经元是具有长突起的细胞，它由细胞体（soma）和细胞突起两部分构成。其中神经元的突起由于形态结构和功能的不同，又可分为轴突（axon）和树突（dendrite）。神经元的不同结构有着不同的功能，树突的主要作用是接受来自其它神经元的信号，胞体处理信息，轴突用来将信号传递出去。据估计，人类的大脑中约有 860 亿个神经元细胞[4]，不同性质和功能的神经元细胞之间通过突触互相连接，构成神经环路和神经网络。神经元的形态是神经系统中信息处理的关键决定性因素，轴突和树突的形态多样性为突触整合、信号传递和神经环路提供了必不可少的结构基础[5]。而要了解神经元的形态结构及其在神经环路中的连接关系，首先要获得神经元形态的三维数字化重建结果。.........1.2 国内外研究进展对神经元结构的研究主要分为：形态结构的定量化分析和投射路径的分析。目前，国内外对这两方面的研究已经有了初步的进展。1.2.1 神经元形态研究神经元形态在神经科学中的重要性早已被大家公认。对神经元形态的研究包括通过多元技术实现的神经元特征描述和神经元分类两个部分。早在19世纪末期，Cajal就开始根据形态学分析对神经元进行分类，但时至今日，人们对于神经系统的理解仍然处于初级阶段，还没有明确和完整的认知[7]。近代神经科学的研究大多基于电生理，神经元形态学分析方面的研究相对较少，比较有名的分析方法有 Sholl 分析、分形维数特征（fractal dimension characterization）[22]分析、影响区域分析（influence area analysis）[23]和树形图表述（dendrogramrepresentation）[24]分析。高分辨率成像方法以及可视化方法的改进[25]和分析方法的发展促进了神经元形态学计算的发展[26]，其中一个研究思路就是首先对神经元形态进行量化。与此同时，新方法和测量技术的发展[27]完善了神经系统的特征和建模。神经元形态学分析包括通过多元技术实现的特征描述[28, 29]和神经元细胞的分类[13]两个部分，对神经元形态学的分析需要选择合适的测度[30]以及模式识别算法的应用。一种对于神经元细胞分类的相关方法是基于神经元的形态学相似性而将神经元细胞进行分类。这种方法对于理解组群的异质性十分重要，也能揭示神经元结构和功能之间的关系，同时能应用于比较解剖学，发育神经生物学和疾病诊断等方面。对于神经元的形态学特征描述方面，NeuroMorpho.Org 提供了 L-Measure[31]，其为一种提硕 士 学 位 论 文取 NeuroMorpho.Org 形态数据库中神经元的个别测量值的工具，这个工具中包含了20 个常用的形态学参数[32]。此外还有很多可用的软件工具，例如 MBF 公司开发的神经解剖学自动分析软件 Neurolucida，被科研界大量用于神经元形态参数的计算与分析。神经元分类的研究起始于上个世纪，通过高尔基染色后观察神经元细胞的大小、形状以及树突分枝模式等将神经元细胞分成不同的类型[30]。这些用来对皮质神经元分类的术语（例如，锥体神经元、星状神经元或颗粒细胞等）至今仍被使用。直到可靠的追踪方法的出现，网络连接才成为一个相当有用的分类标准。大脑皮层的主要神经元类型可分为两种，一是可以投射到远处目标的兴奋性锥体神经元，二是抑制性非锥体神经元即皮质中间神经元。这些不同类别的神经元来自不同的脑区。锥体神经元位于皮层中，其纤维沿着垂直皮层的方向由内向外延伸[33]，而大多数的中间神经元起始于端脑，沿着皮层切线方向延伸到皮层[34]。神经元又可以通过细胞体所在皮层分层位置、形态、电生理特性等信息被进一步分类[15]。.........硕 士 学 位 论 文2 初级运动皮层区锥体神经元完整形态重建神经元的分析、分类以及构建大脑连接图谱的一个主要的难题在于从图像数据集中获取大量的神经元的数字形态。对初级运动皮层区神经元的三维数字形态重建主要分为以下四个步骤：（1）脑区定位：初级运动皮层在鼠脑冠状切片中的位置；（2）胞体定位：在初级运动皮层区中定位要追踪的胞体坐标；（3）手工重建；（4）数据校正。本章将主要从以上几个方面详细介绍重建锥体神经元完整形态的方法和过程。2.1 初级运动皮层大脑皮层是神经系统最高和最复杂的调节中枢，大脑皮层由运动皮层，感觉皮层和联合皮层组成。大脑的不同脑区分别执行不同的功能，这些不同的功能是在一定的结构基础上实现的。而人类对皮层功能的最早认识是刺激它可以引起肢体的运动，初级运动皮层是神经科学史上第一个从功能上被研究的皮质区域。一般认为有四个皮质区域直接参与运动控制。这四个运动皮质区的主要作用分别是：大脑皮质后顶叶（Brodmann 的 5 和 7 区）主要实现对运动的编程和随意运动的空间控制；大脑皮质背侧前额叶（45 和 46 区）决定随意运动的种类；次级运动皮质包括前运动区 （6 区外侧部分）和辅助运动区（6 区内侧部分）主要负责选择和准备合适的随意运动；初级运动皮层区（中央前回的 4 区）负责执行被选定的随意运动[2]。有研究表明，人类的皮质-脊髓束中大约有 30%的纤维起始于初级运动皮层[48]，这说明初级运动皮层对运动有着直接的控制。..........2.2 小鼠运动皮士层区以及锥学体神经元位胞体的定位2.2.1 本文所用数据及其特点本文所用数据来源于三只雄性 Thy1-GFP M-line 转基因小鼠 acson Laboratory,Bar Harbor, ME, USA。采用 fMOST 成像系统，结合 PI 染色技术获得了小鼠全脑冠状切片图像序列[53]。本文所用数据同时包含神经元结构数据（GFP 通道）和细胞构筑的数据（PI 通道），并且数据集的体素分辨率高达 0.2×0.2×1 m3。因此，本文的神经元结构数据集足以获得神经元的树突和轴突纤维以及突触（boutons）和树突棘在全脑范围内的完整形态。且数据集中的图像序列具有高连续特性可以通过神经元结构数据获得神经纤维的完整形态，结合细胞构筑提供的脑区信息，可以实现对胞体和纤维投射路径的准确定位。本节结合细胞构筑信息，并参考小鼠脑细胞构筑图谱，实现了对初级运动皮层的定位。本文以小鼠大脑中初级运动皮层区的锥体神经元为研究目标，在此，首先需要在全脑数据集中定位初级运动皮层的坐标位置，才可以实现对该脑区内的锥体神经元进行三维数字化形态重建，以及形态参数的提取和锥体神经元分类的研究。........3 初级运动皮层区锥体神经元形态分析与分类 ..........233.1 初级运动皮层锥体神经元的分类 ....233.2 神经纤维长度密度分析 ..........263.3 锥体神经元形态学参数计算与分析 ..........293.4 与现有数据库中初级运动皮层区锥体神经元的对比 ............403.5 本章小结.....444 初级运动皮层区锥体神经元投射脑区分析 ....454.1 投射脑区定位.......454.2 锥体神经元投射结果与分学析 ............484.3 与现有投射结果对比 ....544.4 本章小结.....565 总结与展望.......575.1 本文主要工作和结果 ....575.2 主要创新与发现 ............585.3 未来工作展望.......594 初级运动皮层区锥体神经元投射脑区分析自人脑连接组的概念被提出以来，对脑网络的研究已经引起了广大科学家的重视。人脑连接组希望从宏观到微观的不同层次，全面而精细的刻画人类的大脑结构网络。在本文第三章中对初级运动皮层的锥体神经元的形态结构做了一些初步研究，为了进一步探索小鼠初级运动皮层与其它脑区之间的连接关系，本章将从单神经元水平的尺度上研究小鼠初级运动皮层区锥体神经元的投射路径和投射终点。4.1 投射脑区定位在本文第二章中对初级运动皮层脑区的定位方法，只适用于少量数据的脑区定位。对轴突的投射脑区定位时，首先要计算出每一个锥体神经元细胞的轴突的末端以及分叉点的坐标，然后根据这些坐标在图像上找到相应的位置再做脑区定位，而每一个神经元有成百上千个终点和分叉点，这个工作量是十分大的。所以本节将使用另一种方法来完成投射脑区的定位。在本章节的投射脑区定位中选用的参考脑图谱为 Allen 脑图谱。在本章节中对脑区的命名以及脑区简称都采用 Allen 脑图谱中的命名方式。具体定位方法如下。首先，将第二章中得到的 1072 张 PI 通道数据的 10 m 投影图全部导入 Amira中，适当调整亮度和对比度以便于观察细胞构筑分布特征。然后，将已追踪完成的一个锥体神经元数据放入其中。前文介绍过双通道的数据是配准之后的，所以通过GFP 通道数据重建得到的神经元的三维形态在 PI 通道数据中的坐标位置是相对应的。放入投影图和追踪数据之后，在 Filament Editor 界面中翻看每一张投影图，在投影图中同样可以看到要做投射脑区定位的神经元的纤维信息，即若是这个神经元的纤维有投射到或者经过这张投影图就会直接在该投影图的相应位置上显示出来（如图 4-1D 中的蓝色点）。最后，在这个界面中通过投影图提供的细胞构筑信息以及对照参考脑图谱定位出蓝色信号所在的脑区，即为神经纤维的投射或者经过的脑区。该点是投射终点还是神经纤维上的中间点可以通过 object pool 界面中显示的神经元的三维形态进行判断。本文中对投射终点的判断标准为，神经元轴突末端有 axon bouton。

........总结研究大脑的结构和功能是当今神经科学界的重中之重。神经元作为大脑的基本组成单元，了解不同类型的神经元的形态结构和投射模式对认识大脑的工作原理至关重要。而初级运动皮层作为大脑皮层的组成部分，其在运动的产生和控制中都起着极为重要的作用。并且对初级运动皮层长程神经元的研究，将成为研究大脑单神经元水平的网络连接图谱中的重要组成部分。以本课题组前期获取的转基因小鼠、全脑、高分辨的双通道数据集为基础，本文建立了一套对长程神经元从脑区定位、神经元胞体定位、手工重建其完整形态到参数分析、细胞分类和投射脑区定位分析的规范化流程。用于对全脑范围长程神经元的形态结构和投射模式的研究。..........参考文献（略）