Abstract Cells are not uniformly distributed in the human cerebral cortex. Rather, they are arranged in a regional and laminar fashion that span a range of scales. Here we demonstrate an innovative imaging and analysis pipeline to construct a reliable cell census across the human cerebral cortex. Magnetic resonance imaging (MRI) is used to establish a macroscopic reference coordinate system of laminar and cytoarchitectural boundaries. Cell counting is obtained with both traditional immunohistochemistry, to provide a stereological gold-standard, and with a custom-made inverted confocal light-sheet fluorescence microscope (LSFM) for 3D imaging at cellular resolution. Finally, mesoscale optical coherence tomography (OCT) enables the registration of the distorted histological cell typing obtained with LSFM to the MRI-based atlas coordinate system.

Abstract Optical Coherence Tomography (OCT) is an emerging 3D imaging technique that allows quantification of intrinsic optical properties such as scattering coefficient and back-scattering coefficient, and has proved useful in distinguishing delicate microstructures in the human brain. The origins of scattering in brain tissues are contributed by the myelin content, neuron size and density primarily; however, no quantitative relationships between them have been reported, which hampers the use of OCT in fundamental studies of architectonic areas in the human brain and the pathological evaluations of diseases. To date, histology remains the golden standard, which is prone to errors and can only work on a small number of subjects. Here, we demonstrate a novel method that uses serial sectioning OCT to quantitatively measure myelin content and neuron density in the human brain. We found that the scattering coefficient possesses a strong linear relationship with the myelin content across different regions of the human brain, while the neuron density serves as a secondary contribution that only slightly modulates the overall tissue scattering.

The study of neurodegenerative processes in the human brain requires a comprehensive understanding of cytoarchitectonic, myeloarchitectonic, and vascular structures. Recent computational advances have enabled volumetric reconstruction of the human brain using thousands of stained slices, however, tissue distortions and loss resulting from standard histological processing have hindered deformation-free reconstruction of the human brain. The development of a multi-scale and volumetric human brain imaging technique that can measure intact brain structure would be a major technical advance. Here, we describe the development of integrated serial sectioning Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography (PSOCT) and Two Photon Microscopy (2PM) to provide label-free multi-contrast imaging, including scattering, birefringence and autofluorescence of human brain tissue. We demonstrate that high-throughput reconstruction of 4×4×2cm3 sample blocks and simple registration of PSOCT and 2PM images enable comprehensive analysis of myelin content, vascular structure, and cellular information. We show that 2μm in-plane resolution 2PM images provide microscopic validation and enrichment of the cellular information provided by the PSOCT optical property maps on the same sample, revealing the sophisticated capillary networks and lipofuscin filled cell bodies across the cortical layers. Our method is applicable to the study of a variety of pathological processes, including demyelination, cell loss, and microvascular changes in neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease (AD) and Chronic Traumatic Encephalopathy (CTE).

Abstract Cover-all mapping of the distribution of neurons in the human brain would have a significant impact on the deep understanding of brain function. Therefore, complete knowledge of the structural organization of different human brain regions at the cellular level would allow understanding their role in the functions of specific neural networks. Recent advances in tissue clearing techniques have allowed important advances towards this goal. These methods use specific chemicals capable of dissolving lipids, making the tissue completely transparent by homogenizing the refractive index. However, labeling and clearing human brain samples is still challenging. Here, we present an approach to perform the cellular mapping of the human cerebral cortex coupling immunostaining with SWITCH/TDE clearing and confocal microscopy. A specific evaluation of the contributions of the autofluorescence signals generated from the tissue fixation is provided as well as an assessment of lipofuscin pigments interference. Our evaluation demonstrates the possibility of obtaining an efficient clearing and labeling process of parts of adult human brain slices, making it an excellent method for morphological classification and antibody validation of neuronal and non-neuronal markers.