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.

Abstract Optical coherence tomography (OCT) images are corrupted by multiplicative generalized gamma distributed speckle noise that significantly degrades the contrast to noise ratio (CNR) of microstructural compartments in biological applications. This work proposes a novel algorithm to optimize the negative log likelihood of the spatial distribution of speckle. Specifically, the proposed method formulates a penalized negative log likelihood (P-NLL) cost function and proposes a majorize-minimize-based optimization method that removes speckle from OCT images. The optimization reduces to solving an iterative gradient descent problem. We demonstrate the usefulness of the proposed method by removing speckle in OCT images of uniform phantoms with varying scattering coefficients and human brain tissue.

Abstract The accurate measurement of three-dimensional (3D) fiber orientation in the brain is crucial for reconstructing fiber pathways and studying their involvement in neurological diseases. Optical imaging methods such as polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT) provide important tools to directly quantify fiber orientation at micrometer resolution. However, brain imaging based on the optic axis by PS-OCT so far has been limited to two-dimensional in-plane orientation, preventing the comprehensive study of connectivity in 3D. In this work, we present a novel method to obtain the 3D fiber orientation in full angular space with only two illumination angles. We measure the optic axis orientation and the apparent birefringence by PS-OCT from a normal and a 15 deg tilted illumination, and then apply a computational method yielding the 3D optic axis orientation and true birefringence. We verify that our method accurately recovers a large range of through-plane orientations from -85 deg to 85 deg with a high angular precision. We further present 3D fiber orientation maps of entire coronal sections of human cerebrum and brainstem with 10 μm in-plane resolution, revealing unprecedented details of fiber configurations. We envision that further development of our method will open a promising avenue towards large-scale 3D fiber axis mapping in the human brain and other complex fibrous tissues at microscopic level.

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 The importance of polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT) has been increasingly recognized in human brain imaging. Despite the recent progress of PS-OCT in revealing white matter architecture and orientation, quantification of fine-scale fiber tracts in the human brain cortex has been a challenging problem, due to a low birefringence in the gray matter. In this study, we investigated the effect of refractive index matching by 2,2’-thiodiethanol (TDE) immersion on the improvement of PS-OCT measurements in ex vivo human brain tissue. We obtain the cortical fiber orientation maps in the gray matter, which reveals the radial fibers in the gyrus, the U-fibers along the sulcus, as well as distinct layers of fiber axes exhibiting laminar organization. Further analysis shows that index matching reduces the noise in axis orientation measurements by 56% and 39%, in white and gray matter, respectively. Index matching also enables precise measurements of apparent birefringence, which was underestimated in the white matter by 82% but overestimated in the gray matter by 16% prior to TDE immersion. Mathematical simulations show that the improvements are primarily attributed to the reduction in the tissue scattering coefficient, leading to an enhanced signal-to-noise ratio in deeper tissue regions, which could not be achieved by conventional noise reduction methods.