CN115861219B

CN115861219B - 一种脑区定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质

Info

Publication number: CN115861219B
Application number: CN202211501180.2A
Authority: CN
Inventors: 秦丽华; 王涵菲; 孙艳荣; 王文娟
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2042-11-28
Also published as: CN115861219A

Abstract

本发明公开一种脑区定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质，涉及脑区定位领域，脑区定位方法包括获取脑图谱标志点坐标和待定位颅骨标志点坐标；所述脑图谱标志点坐标包括脑图谱前卤坐标、脑图谱后卤坐标和脑图谱下丘小脑点坐标；所述待定位颅骨标志点坐标包括待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标；根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差；所述距离差包括前卤与后卤的距离差以及下丘小脑点与后卤的距离差；根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点。本发明能够提高定位精度。

Description

一种脑区定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质

技术领域

本发明涉及脑区定位领域，特别是涉及一种脑区定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质。

背景技术

对人类神经系统疾病的科学研究通常需要以小鼠作为研究对象进行，现代神经科学的研究方法：神经示踪，光化学遗传，光纤记录神经元电活动和膜片钳技术等均涉及在体研究动物特定脑区特定类型神经元功能活动的生物学技术。对小鼠的特定脑区进行病毒或药物注射，光纤插芯埋置记录神经元电活动需要更为高效准确定位到目标脑区。这些最新的研究方法，都要求在不破坏脑组织三维结构和最大限度保证实验动物生存率的前提下，精准定位特定脑区以提高实验成功率和实验结果可信度。既往脑立体定位通过脑图谱所标记的坐标进行定位注射，定位受到每只实验动物脑体积的个体差异的影响，定位不准确甚至偏差较大，操作过程大多数靠堆积实验动物数量，以获得定位准确的实验动物进行后续实验，造成实验动物、人力物力财力资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种脑区定位方法、系统、电子设备及计算机存储介质，以提高定位的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种脑区定位方法，包括：

获取脑图谱标志点坐标和待定位颅骨标志点坐标；所述脑图谱标志点坐标包括脑图谱前卤坐标、脑图谱后卤坐标和脑图谱下丘小脑点坐标；所述待定位颅骨标志点坐标包括待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标；

根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差；所述距离差包括前卤与后卤的距离差以及下丘小脑点与后卤的距离差；

根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点。

可选地，所述根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差，具体包括：

将所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值减去所述脑图谱前卤坐标的纵坐标值得到前卤与后卤的距离差；

将所述脑图谱下丘小脑点坐标的纵坐标值减去所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值得到下丘小脑点与后卤的距离差。

可选地，在根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点之前，还包括：

将所述前卤和所述后卤置于同一水平面和同一垂直线上。

可选地，所述根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点，具体包括：

判断所述待定位脑区是否位于所述后卤和所述下丘小脑点所在冠状切面之间，得到判断结果；

若所述判断结果为是，则以所述前卤坐标为参考原点，根据所述待定位颅骨表面后卤坐标、所述待定位颅骨表面下丘小脑点坐标以及所述下丘小脑点与后卤的距离差利用等比例计算实际注射位点；

若所述判断结果为否，则以所述前卤坐标为参考原点，根据所述待定位颅骨表面前卤坐标、所述待定位颅骨表面后卤坐标以及所述前卤与后卤的距离差利用等比例计算实际注射位点。

本发明还提供一种脑区定位系统，包括：

获取模块，用于获取脑图谱标志点坐标和待定位颅骨标志点坐标；所述脑图谱标志点坐标包括脑图谱前卤坐标、脑图谱后卤坐标和脑图谱下丘小脑点坐标；所述待定位颅骨标志点坐标包括待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标；

距离差确定模块，用于根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差；所述距离差包括前卤与后卤的距离差以及下丘小脑点与后卤的距离差；

等比例计算模块，用于根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点。

可选地，所述距离差确定模块，具体包括：

前卤与后卤的距离差确定单元，用于将所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值减去所述脑图谱前卤坐标的纵坐标值得到前卤与后卤的距离差；

下丘小脑点与后卤的距离差确定单元，用于将所述脑图谱下丘小脑点坐标的纵坐标值减去所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值得到下丘小脑点与后卤的距离差。

可选地，所述脑区定位系统还包括：

调整模块，用于将所述前卤和所述后卤置于同一水平面和同一垂直线上。

可选地，所述等比例计算模块，具体包括：

判断单元，用于判断所述待定位脑区是否位于所述后卤和所述下丘小脑点所在冠状切面之间，得到判断结果；

第一计算单元，用于若所述判断结果为是，则以所述前卤坐标为参考原点，根据所述待定位颅骨表面后卤坐标、所述待定位颅骨表面下丘小脑点坐标以及所述下丘小脑点与后卤的距离差利用等比例计算实际注射位点；

第二计算单元，用于若所述判断结果为否，则以所述前卤坐标为参考原点，根据所述待定位颅骨表面前卤坐标、所述待定位颅骨表面后卤坐标以及所述前卤与后卤的距离差利用等比例计算实际注射位点。

本发明还提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，其上存储有一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上述中任意一项所述的方法。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述中任意一项所述的方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明获取脑图谱标志点坐标和待定位颅骨标志点坐标；所述脑图谱标志点坐标包括脑图谱前卤坐标、脑图谱后卤坐标和脑图谱下丘小脑点坐标；所述待定位颅骨标志点坐标包括待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标；根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差；所述距离差包括前卤与后卤的距离差以及下丘小脑点与后卤的距离差；根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点。通过距离差和待定位颅骨标志点坐标进行等比例计算，得到实际注射位点，从而提高定位的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的脑区定位方法流程图；

图2为本发明中颅骨表面标志在脑组织上的标记点；

图3为本发明提供的定位在前后囟所在冠状切面之间的MPA脑区病毒原位注射图，Bar＝500μm；

图4为本发明提供的定位在前后囟所在冠状切面之间的MnPO脑区病毒原位注射图，Bar＝500μm；

图5为本发明提供的定位后囟和下丘小脑点冠状切面之间的DRN脑区病毒原位注射图，Bar＝500μm；

图6为本发明提供的定位后囟和下丘小脑点冠状切面之间的2Cb脑区病毒原位注射图，Bar＝500μm。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种脑区定位方法，包括：

步骤101：获取脑图谱标志点坐标和待定位颅骨标志点坐标；所述脑图谱标志点坐标包括脑图谱前卤坐标、脑图谱后卤坐标和脑图谱下丘小脑点坐标；如图2所示，所述待定位颅骨标志点坐标包括待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标。

步骤102：根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差；所述距离差包括前卤与后卤的距离差以及下丘小脑点与后卤的距离差。本发明中的距离差为纵坐标的差值。

步骤102，具体包括：将所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值减去所述脑图谱前卤坐标的纵坐标值得到前卤与后卤的距离差；将所述脑图谱下丘小脑点坐标的纵坐标值减去所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值得到下丘小脑点与后卤的距离差。

步骤103：根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点。

在实际应用中，在步骤103之前，还包括：将所述前卤和所述后卤置于同一水平面和同一垂直线上。

步骤103，具体包括：

判断所述待定位脑区是否位于所述后卤和所述下丘小脑点所在冠状切面之间，得到判断结果。

若所述判断结果为是，则以所述前卤坐标为参考原点，根据所述待定位颅骨表面后卤坐标、所述待定位颅骨表面下丘小脑点坐标以及所述下丘小脑点与后卤的距离差利用等比例计算实际注射位点。

现有的脑立体定位技术主要以前囟(Bregma点)和后囟(Lambda点)为标志，根据当前最新版(第4版小鼠脑图谱)的三维坐标(x，y，z)进行定位。由于小鼠脑组织体积相对大鼠而言更小，同时对特定脑区进行定位是非常精密的实验操作，微小的误差就会引起定位的偏差，有些脑区与脑内空腔(脑室或中脑导水管)相邻，误差可导致注射的药物流入脑内空腔从而不能发挥作用。

采用本发明提供的脑区定位方法能更加准确地定位到小鼠特定脑区。小鼠一般在6-8周成年，此后小鼠全身各个脏器包括脑较刚出生时生长缓慢，此外雄性小鼠普遍较雌性小鼠脑体积更大。由此可见，这种生长和性别所造成的差异，是目前依靠小鼠脑图谱进行立体定位所难以避免的。

本发明能辅助更高效地立体定位到小鼠特定脑区，是针对成年后小鼠不同月龄的脑更加个体化的注射方法。在传统技术的基础上，本发明并不直接地以前囟或后囟为参考位点，而是根据实际测量值中前卤与后卤的纵坐标差值Δy1’与现有脑图谱中前卤与后卤的纵坐标差值Δy1进行比较，进行等比例运算，得到特定脑区的注射三维坐标值，这种方法能较准确地定位前后囟所在冠状面之间的脑区。同时本发明引入另一个颅骨标志点，下丘小脑点。对位于下丘和小脑交界处的冠状线，命名为下丘小脑线；其与矢状缝延长线的交点命名为下丘小脑点。现有脑图谱中下丘小脑点与后卤的纵坐标差值命为Δy2。这一参数对定位位于后囟和下丘小脑点所在冠状面之间的脑区更有参考意义。通过比较实际测量值中下丘小脑点与后囟纵坐标的差值Δy2’与现有脑图谱中下丘小脑点与后囟纵坐标的差值Δy2进行比较，得到特定脑区的注射三维坐标，这种方法能较准确地定位后囟和下丘小脑点所在冠状面之间的脑区。因为小鼠一般在两个月成年以后可以进行动物实验，但是在成年以后随着体重的增加和性别差异，小鼠脑体积也会有相应的变化，这种变化的程度可以通过比较脑图谱与实验对象小鼠的Δy1’和Δy2’，来量化这种增加程度，并通过等比例运算得出实际注射在脑图谱中的(x’，y’，z’)。

本发明还提供一种脑区定位方法在实际应用中的具体工作流程：

1.查阅现有第4版小鼠脑图谱中脑图谱标志点，前囟、后囟和下丘小脑点，定位三者的坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)和(x3，y3，z3)，已知：x1＝0，y1＝0，z1＝0；x2＝0；y2＝-4.15，z2＝0；x3＝0，y3＝-5.63，z3＝-1mm。

2.充分暴露颅骨表面的前囟、后囟和下丘小脑点。前囟为冠状缝和矢状缝的交点，后囟为人字缝和矢状缝的交点，下丘小脑点为矢状缝的延长线与下丘和小脑的交界线的交点，定位待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标分别为(x1’，y1’，z1’)、(x2’，y2’，z2’)和(x3’，y3’，z3’)，通过调节脑立体定位仪调整小鼠脑的俯仰程度和左右位置，使得前后囟位置在同一水平面和同一垂直线上，即：x1’＝0，y1’＝0，z1’＝0；x2’＝0；z2’＝0；x3’＝0。

3.若所定位的脑区在前囟和后囟所在冠状切面之间或靠近前囟和后囟附近，则以前囟为参考原点进行等比例计算。本发明考虑定位脑区范围仅是在前囟和后囟所在冠状切面之间或靠近前囟和后囟附近，或者在后囟和下丘小脑点所在冠状切面之间。

令Δy1’＝y2’-y1’，与现有脑图谱前卤与后卤的距离差Δy1＝y2-y1＝-4.15-0＝-4.15mm比较，等比例计算得出实际注射脑区的(x’，y’，z’)。其中，Δy1’为当前实验动物的实际测量中前卤与后囟的纵坐标的差值。

例如：测得的Δy1’＝-3.8mm，待定位的指定脑区在脑图谱中相应的坐标为(x，y，z)，以待定位的指定脑区为左侧内侧视前区(medialpreoptic area，MPA)(-0.5，0.13，-5.5)mm为例。

则实际注射的位点(x’，y’，z’)计算方法如下：

即实际注射的MPA坐标为(-0.47，0.12，-5.04)mm。

4.若所定位的脑区在后囟和下丘小脑点所在冠状切面之间，仍以前囟为参考原点，等比例计算则以下丘小脑点和后囟坐标作差为参照，使得误差更小定位更准确。

令Δy2’＝y3’-y2’，与现有脑图谱下丘小脑点与后卤的距离差Δy2＝y3-y2＝(-5.63)-(-4.15)＝-1.48mm比较，等比例计算得出实际注射位点(x’，y’，z’)。Δy2’为当前实验动物实际测量至中下丘小脑点与后囟的纵坐标的差值。

例如：测得的Δy2’＝-2mm，待定位的指定脑区在脑图谱中相应的坐标为(x，y，z)，以待定位的指定脑区为中缝背核(Dorsal raphe nucleus，DRN)(0，-4.35，-3)为例。

则实际注射的位点计算方法如下：

y’＝-0.27+y2’

z’＝-4.05+z2’＝-4.05+0＝-4.05

即实际注射的DRN坐标为(0，-0.26+y2’，-4.05)mm。

本发明还提供脑区定位方法在实际中具体应用场景。步骤如下：

1.高压手术器械，包括小剪刀，小镊子，持针器，5-0带针缝线。

2.校准脑立体定位仪和检查微量注射针的通畅性。

3.称量动物体重，按照每0.02ml/g进行注射三溴乙醇(1.25％)麻醉小鼠(C57/6J)。

4.用电推器剃毛，充分暴露头部皮肤。

5.在立体定位仪上固定小鼠，先固定门齿，再调节左右两个耳棒，使小鼠头部固定。

6.用无菌棉签蘸碘伏消毒液消毒皮肤，干燥后用小剪刀剪开皮肤。

7.按照上述技术方案中的计算方法计算脑区实际注射位点。

8.确定好坐标后，用记号笔标记好位点，用齿科钻在颅骨表面钻小孔，注意钻孔的力度应避免伤及脑组织。

9.通过立体定位仪调整微量注射针的针尖所在位置，向下进针时，可多下0.1～0.2mm后抬起，不仅能为即将注射进脑中的药物提供一定空间使其更好地留存在脑中避免拔针时溢出，同时，微量注射针进入脑中时会产生向下的力，使得脑组织发生形变，多下0.1～0.2mm后抬起会使得针道周边的脑组织再受向上的力恢复形变，这种问题尤其在靠近脑内空腔的脑室更为明显。

10.注射速度为20nl/min，每个脑区注射200nl病毒或一定体积的药物；控制总注射时间在10-20min左右。

11.缓慢拔出针，以避免注射药物沿针道溢出。

12.如果需要埋置陶瓷插芯，将陶瓷插芯固定于操纵杆的下端，插入特定脑区位置。

13.在两侧皮层区域打孔放螺钉，用牙科水泥固定螺钉和陶瓷插芯。

14.用无菌棉签蘸生理盐水，润湿颅骨表面皮肤，进行缝合。

15.术后将小鼠放置在加热垫上，保温。待其苏醒后，单笼饲养。

图3为本发明提供的定位在前后囟所在冠状切面之间的MPA脑区(Bregma32)病毒原位注射图，图中箭头所指高亮的神经细胞为立体定位注射病毒所感染区域，主要位于MPA，Bar＝500μm。

图4为本发明提供的定位在前后囟所在冠状切面之间的MnPO脑区(Bregma30)病毒原位注射图，图中箭头所指高亮的神经细胞为立体定位注射病毒所感染区域，主要位于MnPO，Bar＝500μm。

图5为本发明提供的定位后囟和下丘小脑点冠状切面之间的DRN脑区(Bregma68)病毒原位注射图，图中箭头所指高亮的神经细胞为立体定位注射病毒所感染区域，主要位于DRN，Bar＝500μm；

图6为本发明提供的定位后囟和下丘小脑点冠状切面之间的2Cb脑区(Bregma73)病毒原位注射图，图中箭头所指高亮的神经细胞为立体定位注射病毒所感染区域，主要位于2Cb，Bar＝500μm。

其中，图3至图6中的aca为anterior commissure,anteriorpart，中文含义为前连合前部，3V为3rdventricle，中文含义为第三脑室，LV为lateralventricle，中文含义为侧脑室,aq为aqueduct，中文含义为中脑导水管，MPA为median preoptic nucleus，中文含义为中间视前核，MnPO为medianpreoptic nucleus，中文含义为正中视前核，DRN为dorsalraphe nucleus，中文含义为中缝背核，2Cb为lobule 2ofthe cerebellarvermis，中文含义为小脑蚓部第二叶。

本发明解决了现有脑立体定位技术定位脑区不准确的弊端，对于成年后不同月龄性别体型的小鼠，刻板地按照现行脑图谱的定位数值可能出现极端失误，例如：中缝背核在现行脑图谱的定位坐标为(0，-4.35，-3)，其位于后囟以尾侧的上下丘冠状面，在实际操作中若仅按照该数值定位发现所定位到的脑区可能在后囟以喙侧，从而定位失败。以小鼠颅骨表面标志点进行等比例运算是本发明的创新之处，能个体化定位不同小鼠性别月龄的特定脑区，从而极大提高实验效率。

本发明还提供一种脑区定位系统，包括：

获取模块，用于获取脑图谱标志点坐标和待定位颅骨标志点坐标；所述脑图谱标志点坐标包括脑图谱前卤坐标、脑图谱后卤坐标和脑图谱下丘小脑点坐标；所述待定位颅骨标志点坐标包括待定位颅骨表面前卤坐标、待定位颅骨表面后卤坐标和待定位颅骨表面下丘小脑点坐标。

距离差确定模块，用于根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差；所述距离差包括前卤与后卤的距离差以及下丘小脑点与后卤的距离差。

作为一种可选地实施方式，所述距离差确定模块，具体包括：

前卤与后卤的距离差确定单元，用于将所述脑图谱后卤坐标的纵坐标值减去所述脑图谱前卤坐标的纵坐标值得到前卤与后卤的距离差。

作为一种可选地实施方式，脑区定位系统还包括：调整模块，用于将所述前卤和所述后卤置于同一水平面和同一垂直线上。

作为一种可选地实施方式，所述等比例计算模块，具体包括：

判断单元，用于判断所述待定位脑区是否位于所述后卤和所述下丘小脑点所在冠状切面之间，得到判断结果。

第一计算单元，用于若所述判断结果为是，则以所述前卤坐标为参考原点，根据所述待定位颅骨表面后卤坐标、所述待定位颅骨表面下丘小脑点坐标以及所述下丘小脑点与后卤的距离差利用等比例计算实际注射位点。

本发明还提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器。

存储装置，其上存储有一个或多个程序。

通过采用本发明的引入的下丘小脑点和等比例计算法，能更加准确第定位到位于前后囟冠状切面之间与后囟下丘小脑点冠状切面之间的各个脑区，提高实验效率，为后续进行更复杂的动物实验构建可靠实验动物模型。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种脑区定位方法，其特征在于，包括：

根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点；所述根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点，具体包括：

2.根据权利要求1所述的脑区定位方法，其特征在于，所述根据所述脑图谱标志点坐标确定距离差，具体包括：

3.根据权利要求1所述的脑区定位方法，其特征在于，在根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点之前，还包括：

将所述前卤和所述后卤置于同一水平面和同一垂直线上。

4.一种脑区定位系统，其特征在于，包括：

等比例计算模块，用于根据待定位脑区、所述距离差和所述待定位颅骨标志点坐标利用等比例计算确定实际注射位点；所述等比例计算模块，具体包括：

5.根据权利要求4所述的脑区定位系统，其特征在于，所述距离差确定模块，具体包括：

6.根据权利要求4所述的脑区定位系统，其特征在于，还包括：

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，其上存储有一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至3中任意一项所述的方法。

8.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任意一项所述的方法。