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脑细胞形态在细胞功能和病理过程中发挥着至关重要的作用。扩散磁共振成像（dMRI）的生物物理模型能够对活体内的细胞形态进行定量分析，从而推动新型生物标志物的设计。这些模型通常采用简化几何形状表示细胞，例如球体和随机取向的圆柱体，因为针对这些几何形状存在解析信号表达式。然而，dMRI信号对分支、渐缩、波动、串珠状结构和突起等形态特征十分敏感，而大多数模型未能涵盖这些特征，因为它们通常会使解析解无法获得。对合成生成细胞中的dMRI信号进行模拟，为探索微观结构形态如何影响dMRI信号提供了有力工具。然而，目前尚无可公开获取的脑细胞数字复现生成工具。为弥补这一空白，我们提出了OCTOPUS工具箱，该工具能够生成具备上述所有几何特征的细胞。OCTOPUS通过Python接口OCTOpool提供，使得复杂几何形态细胞的创建更加便捷高效。 我们重建了经组织学重构的神经元和胶质细胞，包括锥体神经元、GABA能神经元、谷氨酸能神经元，以及星形胶质细胞和小胶质细胞。为展示OCTOPUS生成细胞的合理性，我们复现了脑组织dMRI信号的若干既有特征，例如短程无序、分支和突起的信号特征，以及高b值幂律。通过比较生成细胞与原始细胞的几何形态和dMRI信号，我们发现，不同的生长策略分别适用于各向同性程度较高和各向异性程度较高的细胞。我们预计，OCTOPUS创建的逼真细胞基底将有助于验证生物物理模型，设计能够感知解析模型之外精细细胞形态的dMRI序列，并生成逼真的脑组织数值基底。
脑细胞形态在功能和病理过程中发挥着至关重要的作用。扩散磁共振成像（dMRI）的生物物理模型能够在体内量化细胞形态，从而推动新型生物标志物的设计。这些模型通常采用简化几何结构来表示细胞，例如球体和随机取向的圆柱体；对于这些几何结构，已有解析信号表达式。然而，dMRI信号对分支、渐缩、波动、串珠状结构和突起等形态特征十分敏感，而大多数模型未能考虑这些特征，因为它们通常会使解析求解成为不可能。对合成生成的细胞进行dMRI信号模拟，为探索微观结构形态如何影响dMRI信号提供了有力工具。然而，目前尚无可公开获取的脑细胞数字复制体生成工具。为弥补这一空白，我们推出了OCTOPUS工具箱，该工具能够生成具备上述所有几何特征的细胞。OCTOPUS通过Python接口OCTOpool提供支持，可便捷、高效地创建具有复杂几何结构的细胞。我们重建了基于组织学重构的神经元和胶质细胞，包括锥体神经元、GABA能神经元、谷氨酸能神经元，以及星形胶质细胞和小胶质细胞。为展示OCTOPUS生成细胞的合理性，我们复现了脑组织dMRI信号的既有特性，例如短程无序、分支和突起的信号特征，以及高b值幂律关系。通过比较生成细胞与原始细胞的几何结构和dMRI信号，我们发现，不同的生长策略分别适用于各向同性程度较高和各向异性程度较高的细胞。我们预计，OCTOPUS创建的真实细胞基底将有助于验证生物物理模型，设计能够探测解析模型之外精细细胞形态的dMRI序列，并生成脑组织的真实数值基底。
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🏷️ 脑细胞形态建模 扩散磁共振成像 神经元与胶质细胞 数字细胞生成 生物物理模型