從書面到網路,全球第一個3D互動式鼠腦圖譜上線了!

  • 李志昌/宜蘭大學生物機電工程學系兼任助理教授

2D變3D,實驗小鼠腦細胞圖譜立體化

2018年11月,在經歷 5 年的資料分析與整合後,藍腦細胞圖譜 (Blue Brain Cell Atlas) 於瑞士的神經科學研究機構洛桑聯邦理工學院 (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) 誕生。這個號稱第一個提供小鼠全腦數位 3D 細胞圖譜的平台,讓神經科學相關研究人員得以查閱與下載 737 個腦區的細胞資訊(如數量、密度與 3D 位置)、神經元調控性質(興奮性、抑制性或調節性)的類別及多種神經膠細胞的組成細節,且該圖譜還維持其動態性並可持續更新。

在此之前,類似可得的數據,只有來自不同研究機構分散在特定小區域的研究,僅占不到全腦細胞的4%,此圖譜一次補足了之前缺乏的 96%,其中很多腦區細胞量化分析過去較少被碰觸,因此彌足珍貴。然而,這樣的公開資料發表,只是一個過往雲煙的科學新聞,或是一個科學進展新的里程碑呢?

翻開神經科學的教科書,提到大腦分區的內容時,常會看到大腦表面起伏曲折的腦迴及不同切開的剖面,有如著色本,塗上不同的顏色,標註著一區一區的數字或名稱。這源自德國學者布洛德曼 (Korbinian Brodmann) 在 1909 年發表的專書,根據腦組織切片染色呈現的細胞分層結構變化訂出界線,將腦區分出的 52 個區域,百年來持續被沿用著。

帕西諾 (George Paxinos) 和華森 (Charles Watson) 合著的《大鼠腦圖譜》(The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates),曾是神經科學研究者不可或缺的工具書,無論手術、打藥或埋設記錄電極前,總要來回翻閱圖譜標示的核區名稱與座標,參照用尼氏染色 (Nissl stain) 或乙醯膽鹼酯酶染色 (Acetylcholinesterase stain) 的組織切片,在腦海中想像目標的樣貌。這本書自 1982 年出版後,帕西諾等人多次修訂更新,除了紙本之外,也發行過電子版,讓讀者可以在電腦螢幕上翻閱、縮放與複製,著實便利了許多。除了大鼠之外,圖譜的物種也擴增到小鼠、恒河猴、狨猴、雞和人等版本,這一系列的腦圖譜著作,至今被引用超過 6 萬次,其重要程度不言而喻。

瑞士神經科學研究機構洛桑聯邦理工學院,花費五年時間建立的小鼠全腦數位 3D 細胞圖譜平台。截圖自:Blue Brain Cell Atlas

滑鼠一點即知,互動式圖譜新體驗

已故的微軟創辦人之一艾倫 (Paul Allen),在 2003 年贊助種子基金所成立的艾倫腦科學研究所 (Allen Institute for Brain Science),短短幾年內便建立網路版的腦圖譜,提供即時圖文雙向互動的新體驗。

當滑鼠在腦圖上移到想要查閱的區域,結構的名稱隨即出現,亦可透過腦組織層級架構的樹狀名錄點選,或從搜尋框輸入結構名稱或縮寫,找到的結構會立即顯示在圖譜上。除此之外,可用滑鼠直覺式地縮放與拖曳,同步顯示的比例尺,切換標示圖譜或組織相片的顯示,甚至轉換不同方向的切面與不同年紀的多套圖譜,都可在一瞬之間完成。和傳統的紙本圖譜相比,互動式的網路圖譜是一大進化,這份標示超過 700 個腦區的參考圖譜,也成了日後在圖譜上增建多層資訊的骨幹。

從平面到立體;從模糊到清晰,數據累積ing…

在參考圖譜上線的同時,大量規模的原位雜交 (in situ hybridization) 基因表現研究,以工業化式的方式在艾倫腦科學研究所進行,2006 年上線的基因表現圖譜 (Anatomic Gene Expression Atlas, AGEA) 涵蓋了超過 2000 個基因於小鼠全腦表現的分布,2009 年正式論文發表時,基因數據倍增到 4376 個,時至今日約有 2 萬個基因表現數據已完成,同時搭配 3D 立體展示的瀏覽器「Brain Explorer 2」,讓腦圖譜的展示方式邁入 3D 的里程碑。

此外,艾倫腦科學研究所另一條生產線正在海量生產「神經連結路徑」的資訊。透過腺相關病毒 (adeno-associated viral, AAV) 載體攜帶的螢光蛋白基因,微量注射到野生型 (wild-type) 小鼠不同的腦區,該腦區的投射路徑會被螢光蛋白表現的訊號標示,或透過 cre 驅動 (cre-driver) 品系的基因轉殖小鼠,以 cre-loxp 重組技術產生螢光蛋白,標示特定族群的神經路徑。

完成路徑標定的全腦以膠體包埋固定,用全自動的切片裝置平整將其剖面,並以雙光子雷射掃描顯微系統將表層影像資訊數位化,每隔 100 微米逐層切削腦片同時取得影像,大約掃描 140 張切片,累積出 750 GB 的影像數據,解析力達到 350 奈米,如此建構出特定神經路徑在腦中的投射全貌,目前已累積 2995 個神經路徑追蹤的實驗數據。

腦圖呈現三級跳,大量數據、科技進步是關鍵

傳統 2D 標示區域的參考腦圖,短短幾年內便在艾倫腦科學研究所經歷多次進化。第一次的進化是「電子化」與「互動查詢」,整合多套不同年齡、切片方向、物種的參考圖譜於同一查詢介面,可即時切換。接著,第二次進化是對「腦區功能的探索」,約 2 萬種已知的基因,先後在全腦進行大規模的基因表現調查,用全新的觀點賦予腦功能分區新的定義。第三次再進化是加入的「神經連結路徑」,讓不同腦區之間協同運作的網路,有一個明確描述的藍圖。

目前,這些不同類型的資料,都已經和標準的 3D 腦模型結合,可以套疊多次路徑追蹤實驗或是多個基因表現的資料同時呈現,預覽實驗中不容易實現的狀況,並能利用遮罩選擇繪圖範圍,從任意視角選擇最佳縮放比例,視覺上呈現有如在虛擬空間中遨遊的效果。對任一位置上的基因表現或是神經路徑想要更仔細了解,還可以在滑鼠點擊之後,呼叫出高解析的原始組織切片,甚至能與標示詳細的參考圖譜並排顯示。而單機版的 3D 立體瀏覽器「Brain Explorer 2」也開始轉型為線上網頁的服務,目前 beta 版尚在建構中,相信進化完成後會帶來更先進功能的線上圖譜。

開放資源、跨域合作,研究成果持續優化中

有了橫切面與縱切面詳細標示腦區的 2D 互動式網路圖譜,有了 3D 的模型以及各種基因的表現數據,有了高解析腦區間投射的連結路徑,有了個腦區的細胞種類、數量、密度的資訊……,每隔一段時間,各種「有了」的喜訊再度成為新聞的焦點,進化中的腦圖譜便又立下一個新的里程碑。

而這次 EPFL 所發表的藍腦細胞圖譜,分析的原始腦切片資料與基因表現的數據,正是艾倫腦科學研究所的開放源資料。這個趨勢誠如該機構所倡議 Big science(大規模、標準化)、Team science(跨領域、跨團隊)與 Open science(非營利、開放源)的發展方向,沿著這種進化的方向,持續將多元的資訊,加注到數位化的腦圖譜架構中,相信不久的將來,可以看到功能更強大,資訊更多元的數位腦圖譜。

進化中的腦圖譜。(點圖放大)(上)2D圖譜,提供位置名稱與座標供查閱;(中)2D互動式圖譜,滑鼠指到的位置,名稱即時出現,並可與組織切片原始圖像同步顯示;(下)3D互動式圖譜,可套疊多層基因表現或神經路徑的資訊,任意視角與縮放顯示,並可調閱任一點的原始數據圖像與參考圖譜。圖/作者提供

延伸閱讀

  1. Csaba Erö et al., A Cell Atlas for the Mouse Brain, Front. Neuroinform., 2018.
  2. George Paxinos and Charles Watson, The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates, Academic Press, 1982.
  3. Seung Wook Oh et al., A mesoscale connectome of the mouse brain, Nature, Vol. 508: 207, 2014.

〈本文轉載自《科學月刊》2019年5月號〉一個在資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫的科普雜誌。


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