[论文解读] 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 9

一句话总结

本文证明，通过利用偏振无关的透光率，传统明场透射显微镜可提取3D神经纤维取向数据，由于散射和有限数值孔径的影响，透光率随纤维倾角增加而显著降低（超过50%）。通过有限元时域（FDTD）模拟和高性能计算，作者表明，仅使用标准显微镜设备即可推断3D纤维结构，无需额外仪器，从而实现对复杂脑组织结构（包括低双折射区域，如交叉纤维或垂直取向纤维）的改进重建。

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.

研究动机与目标

• 仅使用通常仅提供2D信息的常规明场透射显微镜，实现脑组织中神经纤维结构的3D重建。
• 探究在传统显微镜中，光散射和透光率是否可携带纤维组织的3D结构信息。
• 开发一个高保真的FDTD模拟框架，用于建模组织切片中具有真实髓鞘结构的光传播。
• 证明透光率可区分低双折射区域（如平面内纤维交叉和非平面纤维），这些区域在3D-PLI中难以区分。
• 在多种物种（啮齿类、猴、人类）的实验数据上验证模拟方法，并评估波长、入射角和网格分辨率的敏感性。

提出的方法

• 采用有限差分时域（FDTD）模拟，对具有详细纤维和髓鞘几何结构的组织切片中的电磁波传播进行建模。
• 模拟中引入了真实组织结构，包括多层髓鞘（最多43层）和甘油层间，Yee网格分辨率低至3 nm，以确保高精度。
• 透光率计算为通过样品透射光的偏振无关强度，同时考虑散射和数值孔径效应。
• 通过改变波长（545、550、555 nm）、入射角（0°至3°）和网格尺寸（低至12.5 nm）进行多次模拟运行，以模拟非相干、漫射照明条件。
• 对不同波长和入射角的模拟结果进行非相干平均，以模拟真实显微镜条件并确保鲁棒性。
• 使用USAF-1951分辨率靶标验证模拟框架，并应用于不同倾斜角度（0°至90°）的纤维束建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在常规明场透射显微镜中，偏振无关的透光率是否可携带脑组织中神经纤维取向的3D信息？
• RQ2 光散射和物镜有限数值孔径如何影响纤维组织样品中透光率的测量？
• RQ3 波长、入射角和模拟网格尺寸的变化在多大程度上影响透光率预测的准确性？
• RQ4 透光率能否区分低双折射区域，如平面内纤维交叉和非平面纤维，这些区域在3D-PLI中存在歧义？
• RQ5 采用两层髓鞘和粗网格尺寸（25 nm）的简化纤维模型，是否足以近似真实多层髓鞘的透光率？

主要发现

• 随着神经纤维倾角从0°增加到90°，透光率下降超过50%，为3D重建提供了强信号。
• 透光率下降主要由偏振无关的光散射与成像系统有限数值孔径共同导致。
• 采用两层髓鞘和25 nm网格尺寸的纤维模型，其透光率值与真实43层模型的相对差异在1.2%以内，实现了精度与计算成本的良好平衡。
• 不同波长和入射角的模拟产生的透光率曲线在归一化强度上差异小于0.03，证实对照明变化具有鲁棒性。
• 透光率信号可对低双折射区域（如平面内纤维交叉和非平面纤维）进行分类，这些区域在3D-PLI中难以区分，从而提升结构重建效果。
• 该模拟框架可扩展至其他纤维组织（如肌肉、胶原和人造纤维），其应用范围不仅限于神经科学。