创新设计使功能性MRI脑成像分辨率提高十倍
分辨率的显着提高意味着科学家可以看到功能MRI(fMRI)的宽度为0.4毫米，而当今标准3TfMRI的宽度通常为2或3毫米。
“NexGen7T扫描仪是一种新工具，使我们能够在功能磁共振成像、扩散和结构成像中以更高的空间分辨率观察不同大脑疾病背后的大脑回路，从而以更高的粒度进行人类神经科学研究。这使得加州大学伯克利分校处于人类神经影像研究的最前沿，”扫描仪制造项目主任、加州大学伯克利分校海伦威尔斯神经科学研究所代理教授、高级MRI技术公司总裁DavidFeinberg说道。AMRIT)是一家位于加利福尼亚州塞瓦斯托波尔的研究公司。
“超高分辨率扫描仪将允许研究多种大脑疾病中大脑回路的潜在变化，包括退行性疾病、精神分裂症和发育障碍，包括自闭症谱系障碍。”
将发表在《自然方法》杂志上的一篇论文描述了这种下一代或NexGen7TMRI扫描仪。
分辨率的提高将有助于神经科学家探测大脑新皮质不同区域的神经元回路，并允许研究人员追踪我们思考和推理时从皮质一个区域传播到另一个区域的信号，或许还能发现发育障碍的根本原因。
这可能会带来更好的诊断大脑疾病的方法，也许可以通过识别新的生物标志物来更早地诊断精神疾病，或者更具体地说，以便选择最佳的治疗方法。
“通常情况下，核磁共振成像的速度根本不够快，无法看到信息从大脑的一个区域传递到另一个区域的方向，”范伯格说。“扫描仪更高的空间分辨率可以识别大脑皮层不同深度的活动，通过区分皮层不同细胞层的活动来间接揭示大脑回路。”
这是可能的，因为神经科学家发现，在视觉大脑区域中，浅层和最深层的皮层(右图中的蓝色箭头)包含“自上而下”的电路，也就是说，它们从较高的皮层大脑区域接收信息，而中层皮层则接收来自大脑视觉区域的信息。涉及“自下而上”的电路，从我们的感官接收输入到大脑。
通过将功能磁共振成像活动精确定位到皮层的特定深度，神经科学家可以追踪整个大脑和皮层的信息流。
利用超高分辨率功能性MRI，可以区分大脑皮层浅层和最深层的活跃神经元组(蓝色箭头，显示活动的双条纹)。NexGen7T可以检测最薄的人类大脑皮层(厚度在1.5至2毫米之间)的活动。
UC的SilviaBunge表示，凭借更高的空间分辨率，神经科学家将能够追踪单个体素(3D像素)内大约850个神经元的活动，而不是用标准医院MRI记录的600,000个神经元的活动。伯克利心理学教授，他是最早使用NexGen7T对人脑进行研究的人之一。
“我们能够观察前额皮质的层状轮廓，它很漂亮，”研究抽象推理的邦吉说。“拥有这台最先进的世界一流机器真是令人兴奋。”
加州大学伯克利分校公共卫生学教授WilliamJagust致力于研究与阿尔茨海默病相关的大脑变化，对于研究与阿尔茨海默病相关的大脑变化的威廉·贾古斯特来说，分辨率的提高最终可以帮助将观察到的阿尔茨海默病引起的大脑变化之间的点联系起来——称为β淀粉样蛋白的异常蛋白质团块和tau蛋白——以及记忆的变化。
Jagust说：“我们知道，随着年龄的增长，大脑中的部分记忆系统会退化，但我们对记忆系统的实际变化知之甚少——由于我们当前MRI系统的分辨率，我们只能做到这一点。”。
“有了这个新的扫描仪，我们认为我们将能够更仔细地准确地找出出现问题的地方。这可能有助于诊断或预测正常人的结果。”
加州大学伯克利分校心理学教授杰克·加兰特希望该扫描仪能够帮助神经科学家发现大脑功能变化如何导致阅读障碍、自闭症和精神分裂症等发育障碍和精神障碍，或者由痴呆症和中风等神经系统疾病引起的障碍。
“精神障碍对个人、家庭和社会产生巨大影响。它们合计约占美国GDP的10%。精神障碍从根本上来说是大脑功能障碍，但目前并没有使用功能测量来诊断大多数大脑疾病或检查治疗是否有效。相反，这些疾病是通过行为来诊断的。这是一种薄弱的方法，因为有很多不同的大脑心理状态可以导致完全相同的行为，”加兰特说。
“我们需要像这样更强大的MRI机器，以便我们能够以高分辨率绘制信息在大脑中的表示方式。对我来说，这是超高分辨率MRI的巨大潜在临床益处。”
大脑计划
这一突破是通过美国国立卫生研究院(NIH)的脑研究推进创新神经技术(BRAIN)计划获得的1340万美元的初始资助实现的。该计划旨在开发新技术，生成大脑的动态图像，显示单个细胞和复杂的神经回路如何在大脑中随时间相互作用。
来自加州大学伯克利分校校长办公室和威尔神经中心的额外资金使总资金超过2200万美元，这使得Feinberg能够在跨国公司西门子Healtheneers(医院和研究MRI扫描仪的主要制造商)组建一支由学者和领先科学家组成的多学科团队;苏格兰格拉斯哥的MRCoilTechLimited，是用于MRI生成和记录信号的发射器和接收器探测器线圈的制造商;AMRIT是一家控制扫描仪硬件的成像脉冲序列设计公司。
结合这些团队新开发的硬件技术，西门子与Feinberg的团队合作重建了2000年交付给加州大学伯克利分校的传统7特斯拉MRI扫描仪，以提高脑部扫描过程中捕获的图片的空间分辨率。
“世界各地使用7TMRI扫描仪的站点大幅增加，但它们主要用于开发且难以使用，”来自萨克雷巴黎大学NeuroSpin项目的物理学家NicolasBoulant说道。他领导的团队操作着世界上唯一的11.7特斯拉MRI扫描仪，这是迄今为止使用的最强磁场。
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“David的团队确实整合了许多要素，在7特斯拉上实现了质的飞跃，超越了之前可实现的目标并获得了性能。”
Boulant希望采用NexGen7T中的一些新成分，特别是重新设计的梯度线圈，最终通过11.7特斯拉MRI扫描仪实现更好的分辨率。梯度线圈在大脑中产生不断上升的磁场，使大脑的每个部分看到不同的场强，这有助于精确绘制大脑活动图。
他说：“磁场越高，就越难真正发挥这些高场MRI扫描仪所承诺的潜力，以看到人脑中更精细的细节。”“你需要所有这些外围设备，这些设备需要加强以实现这些承诺。当您想做神经MRI时，NexGen7T确实是一个游戏规则改变者。”
为了达到更高的空间分辨率，NexGen7T扫描仪的设计必须采用大幅改进的梯度线圈和更大的接收器阵列线圈(用于检测大脑信号)，使用64到128个通道来实现更高的信噪比(SNR)在皮层和更快的数据采集。所有这些改进与来自超高场7T磁铁的更高信号相结合，以实现扫描仪性能的累积增益。
极其强大的梯度线圈是第一个由三层线圈制成的。“脉冲”梯度由德国埃尔兰根西门子公司的PeterDietz设计，其性能是当前7T扫描仪中梯度系统的10倍。
马蒂亚斯·戴维斯(MathiasDavids)当时是德国曼海姆海德堡大学的物理学研究生，也是Feinberg团队的成员，他与Dietz合作进行生理建模，以实现更快的梯度转换速率(衡量大脑中磁场变化速度的指标)-同时保持在人体神经元刺激阈值以下。
“它的设计目的是可以更快地打开和关闭梯度脉冲(以微秒为单位)，从而更快地记录信号，并且可以利用更高幅度的梯度，而无需刺激身体的周围神经或刺激心脏，这是生理限制，”范伯格说。
Feinberg表示，扫描仪的第二个关键发展是用128通道接收器系统取代了标准的32通道。英国格拉斯哥MRCoilTech的ShajanGunamony构建的大型接收器线圈阵列在大脑皮层中提供了更高的信噪比，并且还提供了更高的并行成像加速，以实现更快的数据采集，以对大型图像矩阵进行编码以实现超高分辨率功能磁共振成像和结构磁共振成像。
为了利用新的硬件技术，SuhyungPark、RüdigerStirnberg、RenzoHuber、XiaozhiCao和Feinberg设计了精确定时梯度脉冲的新脉冲序列，以快速实现超高分辨率。较小的体素以立方毫米为单位测量，小于0.1微升，提供的3D图像分辨率比以前的7TfMRI高10倍，比用于医疗诊断的典型医院3TMRI扫描仪高125倍。
体素很重要
最常见的MRI扫描仪采用超导磁体，可产生3特斯拉的稳定磁场，比地球磁场强90,000倍。
“3T扫描仪只能解析宽度约为2毫米至3毫米的fMRI细节，而构成大脑灰质的六个皮质层的整个厚度仅为1.5至4.5毫米。这使得我们不可能看到和研究负责特定动作的微电路的功能——微电路的宽度只有0.5毫米。”Gallant说。
相比之下，功能磁共振成像重点关注动脉和静脉中的血流，可以清楚地区分流入大脑工作区域的含氧血红蛋白和不太活跃区域的脱氧血红蛋白。这使得神经科学家能够确定大脑的哪些区域在执行特定任务时起作用。
但同样，3TfMRI的3毫米分辨率只能区分大静脉，而不能区分可以指示微电路内活动的小静脉。
NexGen7T将使神经科学家能够精确定位灰质薄皮质层内的活动，以及垂直于各层组织的狭窄列电路内的活动。Gallant对这些专栏特别感兴趣，他研究我们所看到的世界是如何在视觉皮层中呈现的。事实上，他已经能够仅仅根据大脑视觉皮层的记录来重建一个人所看到的东西。
“理论上，David建造的机器应该低至500微米，或者类似的东西，这比其他任何东西都要好——如果你从单个机器获取信号，我们已经非常接近你想要的规模了。例如，专栏，”加兰特说。“这是梦幻般的。MRI的全部内容在于您记录的小体积单位、体素、三维像素有多大。这是唯一重要的事情。”
目前，NexGen7T脑部扫描仪必须根据常规7T扫描仪定制。然而，成本应该比建造第一个项目所需的2200万美元低得多。这些资金不仅来自BRAINInitiative，还来自加州大学伯克利分校通过HelenWills神经科学中心提供的资金，Feinberg、Bunge、Gallant和Jagust都隶属于该中心。
Feinberg表示，西门子和MRCoilTechLtd将推广加州大学伯克利分校的NexGen7T扫描仪技术。
“我的观点是，我们可能永远无法在细胞突触电路层面上理解人脑，因为细胞突触电路中的连接比宇宙中的星星还要多，”范伯格说。
“但我们现在能够看到大脑回路的信号模式，并开始梳理大脑皮层不同深度的反馈和前馈回路。从这个意义上说，我们很快就能更好地了解人类大脑组织，这将使我们对疾病过程有新的认识，并最终使我们能够测试新的疗法。我们正在寻求对大脑功能的更好理解和看法，以便我们能够可靠地测试和可重复地非侵入性地使用。”