11、实验小鼠脑切片的解剖分割与基因表达估计的交互式方法

实验小鼠脑切片的解剖分割与基因表达估计的交互式方法

1. 引言

大脑基因表达分析对认知研究极为重要。许多认知功能（如记忆巩固）由特定基因调控，这些基因在某些智力活动（如训练）时开始表达。同时，特定大脑解剖区域的活动变化反映认知过程。将大脑解剖图谱与基因表达模式相结合并进行统计处理，有助于发现与认知过程相关的新基因和功能活动发生的新解剖结构。

目前，测量动物大脑基因表达的技术是：提取大脑，冷冻后切片，每个切片用尼氏（Nissl）方法染色以突出组织学特征，用原位杂交（ISH）方法揭示表达相应基因的神经元。主要问题是确定活跃基因所在的大脑结构，即使是人类专家，在切片采用非标准切面时也难以解决。不过，有一些包含组织学图像和专家标记的大脑结构图像的动物图谱，这里使用的是艾伦小鼠脑图谱（ABA），它包含一组二维冠状小鼠脑切片。

为解决脑切片半自动分割成解剖结构的问题，提出以下步骤：
1. 使用二维ABA切片构建小鼠大脑的三维模型，该模型包含组织学和解剖学视图。
2. 通过特殊软件BrainTravel手动从构建的三维模型中获取与实验切片最相似的虚拟切片。
3. 使用非线性变换将虚拟切片的解剖分割转移到实验切片。同时，还考虑了ISH切片基因表达水平的数值估计问题，通过一系列滤波器完成。

2. 解剖分割

2.1 图谱切片的非线性校正

使用基于ABA图像构建的小鼠大脑三维模型。最初，切片线性对齐，然后使用三次B样条找到相邻切片之间的成对变形，最后使用变形变换填充图谱切片之间的间隙。但由于切片切割和染色技术过程的特殊性，图谱切片会独立变形，对未校正的切片应用变形会导致组织学和解剖结构不光滑。