在科研和临床中，应用三维形式进行描记的脑灰质组成的部分轴突通路具有广泛的应用价值。近年来，绘制人类结构连接图的研究主要集中在脑脊髓束追踪, 它是通过处理扩散加权成像的数据得出的结果。但神经束追踪是一种间接方法，存在诸多局限性。
全息可视化平台的发展为解剖学数据的整合提供了一种新的媒介，同时也为神经解剖学家和脑成像科学家之间的协作互动提供了一个新的工作环境。因此，研究人员开发了第一个用于构建轴突通路的全息界面，将人类组织和结构MRI数据填充其中，并召集了世界上的神经解剖学专家，交互地定义皮层、基底神经节和小脑系统的轴突轨迹。
这种先进的可视化硬件、软件开发和神经解剖学数据的混合，使数十年积累的知识转化为人类轴突通路图谱，可用于教育、科学或临床研究。
图1：凯斯西储大学的科学家和技术人员使用Microsoft HoloLens混合现实平台，创建了第一个以轴突通路为联系的人脑交互式全息图绘制系统。
例如，在深部脑刺激（DBS）外科手术中，它可能立即成为“新型全息神经外科手术导航系统的基础”，Cameron McIntyre称为“ HoloDBS”。McIntyre目前是凯斯西储大学医学院生物医学工程Tilles-Weidenthal教授的首席研究员。
McIntyre说：“到目前为止，已有100多名临床医生进行beta测试，并且该技术的周边应用也异常出色。”他补充说，这种方法已经在极大地促进了科学家对于某些相当复杂的脑外科手术的理解。
图2来源：凯斯西储大学
这项新研究整合了数十个有价值的，但相互独立的神经数据。这些数据有数十个来源，我们将其转换为完全三维和交互可视化的形式。该技术的用户，包括神经工程师，神经解剖学家，神经病学家和神经外科医生，都可以通过HoloLens头戴式耳机看到大脑的动画“图谱”，并且还可以看到内在的轴突连接。
McIntyre说：“最酷的是，我们已经能够将数十年的神经解剖学知识整合到最现代的大脑可视化技术中。”“我们正在利用所有的解剖学知识，并以一种全新且有用的形式将其交付给用户。
McIntyre与放射学教授Mark Griswold一起工作，Mark Griswold是Microsoft HoloLens教育相关计划的教职负责人，并领导着互动式共享区（Interactive Commons）。他的工作之一是帮助教职员工和学生使用一系列可视化技术来加强教学和研究。Griswold还领导了团队开发了HoloAnatomy应用程序。
该项目的其他成员包括McIntyre实验室的博士后研究员Mikkel Petersen，以及来自罗切斯特大学、魁北克市拉瓦尔大学、埃默里大学和匹兹堡大学等世界各地的神经解剖学家。
▎建立一个全息大脑模型的过程
图3：(a)皮层表面模型转换成与Unity兼容的格式(.obj)。(B)皮层下分区转化为.obj。(C)MRI数据从nifti数据转换为.tiff。(D)来自大脑结构和分区的数据统一兼容地在微软HoloLens系统中显示出来。米黄色的部分是皮质; 绿色的部分是尾状核; 橙色的部分是壳核；黄色的部分是丘脑。
▎通路生成过程
图4：(A)来自Morel图谱的组织学数据(Morel, 2007;Gallay等人，2008)。(B)组织学数据符合CIT 168脑图谱(Pauli et al.， 2018)。(C)利用MRI、组织学和既往文献的信息生成初步的通路轨迹。(D)生成每个通路的平均轨迹。(E)初步形成了流线型神经束。(F)通过使用HoloLens系统，与神经解剖学家的全息交互，这些通路被可视化、讨论和编辑。(G)确定通路。
研究人员目前专注于研究丘脑下部的区域，这是深部大脑刺激的常见手术靶点。但对于目前最好的技术（称为纤维束重建），应用在脑区描绘确实存在很大问题。该项目着重于可视化大脑中精确的轴突传递。轴突寻路是神经发育的一个子领域，它研究神经元如何发出轴突到达大脑中正确的目的地。
图5：顶部一行显示的是位于皮层的感兴趣(ROIs)，他们用来参与皮层通路的生成。随后几行分别是运动区、前额叶、丘脑和基底节神经通路。流线形束是基于图例的彩色编码。黄色的部分是丘脑; 绿色的部分是下丘脑; 深蓝色的部分苍白球内侧核; 淡蓝色为苍白球外侧核; 深绿色的部分为尾状核; 红色的部分为红核。
以揭示人脑内部色彩斑斓“的“脑纤维束”而闻名的追踪术已在医院中使用了近20年。它使用扩散MRI收集的数据直观地表示大脑中的神经束，并在称为扩散MRI的二维和三维图像中呈现信息。凯斯西储大学的研究团队不仅做到真正的三维可视化，并且专业的神经解剖学家通过HoloLens头戴式耳机 “交互地定义皮质，基底神经节和小脑系统的轴突轨迹”。
McIntyre说：“以这样的方式，我们产生了人类丘脑下区域主要轴突通路的第一个解剖学现实模型。这仅仅只是第一步，我们可以在其他脑区中重复进行。”
参考文献：
Mikkel V. Petersen et al. Holographic Reconstruction of Axonal Pathways in the Human Brain, Neuron (2019). DOI: 10.1016/j.neuron.2019.09.030
作者信息
编译作者：Chole Full（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
