[論文レビュー] Finite-Difference Time-Domain simulations of transmission microscopy enable a better interpretation of 3D nerve fiber architectures in the brain

Miriam Menzel, Markus Axer+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 86被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、散乱および有限の数値(aperture)による影響を受ける偏光に依存しない透過率の低下（50%以上）に起因して、従来の明-field透過顕微鏡が3次元神経線維配向データを抽出できることを示している。有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションとハイパフォーマンスコンピューティングを用いて、追加の装置を用いずに標準的な顕微鏡装置で3次元線維構造を推定できることを示しており、特に屈折率が低い領域（交差する線維や垂直に配向した線維）を含む複雑な脳組織構造の改善された再構成を可能にする。

ABSTRACT

In many laboratories, conventional bright-field transmission microscopes are available to study the structure and organization principles of fibrous tissue samples, but they usually provide only 2D information. To access the third (out-of-plane) dimension, more advanced techniques are employed. An example is 3D Polarized Light Imaging (3D-PLI), which measures the birefringence of histological brain sections to derive the spatial nerve fiber orientations. Here, we show how light scattering in transmission microscopy measurements can be leveraged to gain 3D structural information about fibrous tissue samples like brain tissue. For this purpose, we developed a simulation framework using finite-difference time-domain (FDTD) simulations and high performance computing, which can easily be adapted to other microscopy techniques and tissue types with comparable fibrous structures (e.g., muscle fibers, collagen, or artificial fibers). As conventional bright-field transmission microscopy provides usually only 2D information about tissue structures, a three-dimensional reconstruction of fibers across several sections is difficult. By combining our simulations with experimental studies, we show that the polarization-independent transmitted light intensity (transmittance) contains 3D information: We demonstrate in several experimental studies on brain sections from different species (rodent, monkey, human) that the transmittance decreases significantly (by more than 50%) with the increasing out-of-plane angle of the nerve fibers. Our FDTD simulations show that this decrease is mainly caused by polarization-independent light scattering in combination with the finite numerical aperture of the imaging system. This allows to use standard transmission microscopy techniques to obtain 3D information about the fiber inclination and to detect steep fibers, without need for additional measurements.

研究の動機と目的

• 標準的な明-field透過顕微鏡を用いて、通常は2次元情報しか提供しない脳組織内の神経線維構造を3次元再構成することを目的とする。
• 従来の顕微鏡における光の散乱および透過率が、線維性組織の3次元構造的情報を保持しているかどうかを調査することを目的とする。
• ヒストロロジカル脳断面における光の伝播を、現実的なミエリンーシャーシュの構造を再現した高精度なFDTDシミュレーションフレームワークを構築することを目的とする。
• 透過率が、3次元-PLIで区別がつかない低屈折率領域（例えば、平面内での線維交差や垂直方向の線維）を分類できることを示すこと。
• 複数の種（ラット、サル、ヒト）における実験データと照合し、波長、入射角、メッシュ解像度に対する感度を評価すること。

提案手法

• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて、詳細な線維およびミエリンーシャーシュ幾何構造を有するヒストロロジカル脳断面における電磁波伝播をモデル化した。
• 実際の組織構造を再現するため、最大43層の多層ミエリンーシャーシュおよびグリセリン中間層を組み込み、高精度を実現するためYeeグリッド解像度を3 nmまで低下させた。
• 透過率は、偏光に依存しない光の透過強度として計算され、散乱および数値的アパーチャー効果を考慮した。
• 非コherentで拡散的な照明を模擬するため、波長（545、550、555 nm）、入射角（0°〜3°）、メッシュサイズ（12.5 nmまで）を変化させた複数回のシミュレーションを実施した。
• 実際の顕微鏡条件を再現し、耐障害性を確保するため、異なる波長および入射角における結果を非コherentに平均化した。
• シミュレーションフレームワークは、USAF-1951解像度基準標本を用いて検証され、傾斜角（0°〜90°）を変化させた線維バンドをモデル化して応用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な明-field透過顕微鏡における偏光に依存しない透過率が、脳組織内の神経線維配向に関する3次元情報を保持できるか？
• RQ2 線維性組織試料における光の散乱およびオブジェクティブランズの有限数値的アパーチャー効果が、透過率測定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 波長、入射角、シミュレーションメッシュサイズの変動が、透過率予測の正確性にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 透過率が、3次元-PLIでは曖昧な低屈折率領域（例えば、平面内線維交差や垂直方向線維）を区別できるか？
• RQ5 2層のミエリンーシャーシュと粗いメッシュサイズ（25 nm）を有する簡略化された線維モデルが、現実的な43層ミエリンーシャーシュの透過率を十分に近似できるか？

主な発見

• 神経線維の傾斜角が0°から90°に増加するに従い、透過率は50%以上低下し、3次元再構成に強い信号が得られる。
• 透過率の低下は主に、偏光に依存しない光の散乱と、画像化システムの有限な数値的アパーチャーの両方の影響による。
• 2層ミエリンーシャーシュと25 nmのメッシュサイズを有する線維モデルは、現実的な43層モデルと比較して相対差が1.2%以内であり、正確性と計算コストのバランスに優れている。
• 異なる波長および入射角を用いたシミュレーションでは、正規化強度の差が0.03未満にとどまり、照明条件の変動に対して耐障害性が確認された。
• 透過率信号は、3次元-PLIでは区別がつかない低屈折率領域（例えば、平面内線維交差や垂直方向線維）を分類可能であり、構造的再構成の向上に寄与する。
• 本シミュレーションフレームワークは、筋肉、コラーゲン、人工線維など他の線維性組織へも応用可能であり、神経科学を超えた応用性を有する。