[논문 리뷰] Finite-Difference Time-Domain simulations of transmission microscopy enable a better interpretation of 3D nerve fiber architectures in the brain

Miriam Menzel, Markus Axer외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 19.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques참고 문헌 86인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 밝은 영역 투과 현미경을 활용하여 투과율의 편극성에 영향을 받지 않는 특성 덕분에 3차원 신경 섬유 방향 데이터를 추출할 수 있음을 보여준다. 이 투과율은 산산이 흩트이는 산란과 유한한 수치적 조리개의 영향을 받아 기울기 각도가 증가함에 따라 크게 감소하며(50% 이상), 이는 3차원 섬유 구조를 복원할 수 있는 강력한 신호를 제공한다. 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션과 고성능 계산을 통해 저자들은 추가적인 장비 없이도 표준 현미경 장비로도 3차원 섬유 구조를 추론할 수 있음을 보여주며, 특히 이sov계면 또는 수직으로 배열된 섬유와 같이 저비편광성 영역을 포함한 복잡한 뇌조직의 재구성 향상이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 밝은 영역 투과 현미경을 사용하여 뇌조직 내 신경 섬유 구조의 3차원 재구성을 가능하게 하되, 일반적으로 2차원 정보만 제공하는 점을 고려한다.
• 기존 현미경에서의 빛 산산이 흩트이는 산란과 투과율이 섬유성 조직의 3차원 구조 정보를 담고 있는지 조사한다.
• 실제 마이엘린 셸 구조를 반영한 조직절편을 통과하는 빛의 전파를 모델링하는 고정밀도 FDTD 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다.
• 투과율이 비편극성 영역, 예를 들어 평면 내 섬유 교차부와 평면 외 섬유를 구분할 수 있는지 검증한다. 이는 3D-PLI에서 명확하지 않은 영역이다.
• 다양한 종류의 생물(실험용 쥐, 원숭이, 인간)에 대해 실험 데이터와의 비교를 통해 시뮬레이션 방법의 타당성을 검증하고, 파장, 입사각, 메쉬 해상도에 대한 민감도를 평가한다.

제안 방법

• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 세밀한 섬유 및 마이엘린 셸 기하구조를 가진 조직절편을 통과하는 전자기파 전파를 모델링하였다.
• 실제 조직의 구조를 반영하여 다층 마이엘린 셸(최대 43층)과 글리세린 중간층을 포함하였으며, 고정밀도를 확보하기 위해 Yee 격자 해상도를 최소 3 nm까지 적용하였다.
• 투과율은 편극성에 영향을 받지 않는 빛의 투과 강도로 계산되었으며, 산란과 수치적 조리개 효과를 고려하였다.
• 다양한 파장(545, 550, 555 nm), 입사각(0°에서 3°까지), 메쉬 크기(최소 12.5 nm)를 가진 여러 시뮬레이션 런을 수행하여 비코herent, 산산이 흩트이는 조명 조건을 모의하였다.
• 실제 현미경 조건을 반영하기 위해 다양한 파장과 입사각에 대해 결과를 비코herent 평균화하여 안정성을 확보하였다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 USAF-1951 해상도 기준을 사용하여 검증되었으며, 다양한 기울기 각도(0°에서 90°까지)를 가진 섬유 뭉치를 모의하는 데 적용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 밝은 영역 투과 현미경에서 편극성에 영향을 받지 않는 투과율이 뇌조직 내 신경 섬유 방향의 3차원 정보를 담고 있는가?
• RQ2 섬유성 조직 샘플에서의 빛 산산이 흩트임과 목표 렌즈의 유한한 수치적 조리개가 투과율 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 파장, 입사각, 시뮬레이션 메쉬 크기의 변화가 투과율 예측 정확도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 투과율이 비편극성 영역, 예를 들어 평면 내 섬유 교차부와 평면 외 섬유를 구분할 수 있는가? 이는 3D-PLI에서 명확하지 않다.
• RQ5 두 층의 마이엘린 셸과 굵은 메쉬 크기(25 nm)를 가진 단순화된 섬유 모델이 실제 다층 마이엘린 셸의 투과율을 충분히 근사할 수 있는가?

주요 결과

• 신경 섬유 기울기 각도가 0°에서 90°로 증가함에 따라 투과율이 50% 이상 감소하며, 이는 3차원 재구성에 강력한 신호를 제공한다.
• 투과율 감소의 주요 원인은 편극성에 영향을 받지 않는 산산이 흩트이는 산란과 이미징 시스템의 유한한 수치적 조리개의 조합이다.
• 두 층의 마이엘린 셸과 25 nm 메쉬 크기를 가진 섬유 모델은 실제 43층 모델과 비교해 상대 오차가 1.2% 이내로 나타나 정확도와 계산 비용의 균형을 잘 유지한다.
• 다양한 파장과 입사각 조건에서의 시뮬레이션 결과는 정규화된 강도에서 0.03 이내로 차이를 보이며, 조명 조건의 변화에 대해 뛰어난 내구성을 입증한다.
• 투과율 신호는 비편극성 영역, 예를 들어 평면 내 섬유 교차부와 평면 외 섬유를 구분할 수 있으며, 이는 3D-PLI에서 명확하지 않은 영역을 개선함으로써 구조 재구성 향상에 기여한다.
• 이 시뮬레이션 프레임워크는 근육, 콜라겐, 인공 섬유 등 다른 섬유성 조직에도 적용 가능하여 신경과학 외의 분야로의 활용도를 넓힌다.