杜克大学领导的MRI技术以最高分辨率揭示了整个小鼠大脑
北卡罗来纳州达勒姆 – 磁共振成像（MRI）是我们可视化难以用X射线成像的柔软水状组织的方式。但是，虽然MRI提供了足够好的分辨率来发现脑肿瘤，但它需要更加清晰才能可视化大脑内的微观细节，从而揭示其组织。
在杜克大学体内显微镜中心与田纳西大学健康科学中心、宾夕法尼亚大学、匹兹堡大学和印第安纳大学的同事领导的长达数十年的技术巡回赛中，研究人员接受了挑战，提高了MRI的分辨率，从而获得了有史以来最清晰的小鼠大脑图像。
恰逢第一台MRI问世50周年 ，研究人员对小鼠大脑的扫描结果比人类的典型临床MRI扫描要清晰得多，相当于从像素化的8位图形到Chuck Close绘画的超现实细节。
新图像的单个体素 – 将其视为立方像素 – 尺寸仅为5微米。这比临床MRI体素小6400万倍。
尽管研究人员将磁铁集中在小鼠而不是人类身上，但改进的MRI提供了一种重要的新方法，以破纪录的分辨率可视化整个大脑的连接。研究人员表示，小鼠成像的新见解将反过来导致更好地了解人类的状况，例如大脑如何随着年龄，饮食甚至阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病而变化。
“这是真正令人振奋的事情。我们可以开始以完全不同的方式研究神经退行性疾病，“新论文的主要作者，杜克大学查尔斯·E·普特曼大学放射学，物理学和生物医学工程杰出教授G. Allan Johnson博士说。
约翰逊的兴奋是很久了。该团队的新工作于4月17日发表在《美国国家科学院院刊》上，是杜克体内显微镜中心近40年研究的高潮。
在过去的四十年里，约翰逊、他的工程研究生以及他在杜克大学和远方的许多合作者改进了许多元素，当所有这些元素结合在一起时，使革命性的MRI分辨率成为可能。
一些关键成分包括令人难以置信的强大磁铁（大多数临床MRI依赖于1.5至3特斯拉磁铁;约翰逊的团队使用9.4特斯拉磁铁），一组特殊的梯度线圈，比临床MRI中的线圈强100倍，有助于生成大脑图像，以及相当于近800台笔记本电脑的高性能计算机，所有这些都启动成像一个大脑。
在约翰逊和他的团队“扫描出日光”后，他们发送组织，使用一种称为光片显微镜的不同技术进行成像。这种互补技术使他们能够标记大脑中的特定细胞组，例如多巴胺释放细胞，以观察帕金森病的进展。
然后，该团队将光片图片映射到原始MRI扫描上，该扫描在解剖学上更加准确，并提供了整个大脑细胞和回路的生动视图。
有了这种组合的全脑数据图像，研究人员现在可以以前所未有的方式窥探大脑的微观奥秘。
一组MRI图像显示了随着小鼠年龄的增长，整个大脑的连接性如何变化，以及特定区域（如涉及记忆的下层）如何比小鼠大脑的其他部分变化更大。
另一组图像展示了彩虹色的大脑连接线轴，突出了阿尔茨海默病小鼠模型中神经网络的显着恶化。
希望通过使MRI成为更高倍的显微镜，约翰逊和其他人可以更好地了解人类疾病的小鼠模型，如亨廷顿病，阿尔茨海默氏症等。这应该导致更好地了解类似事物如何在人们身上发挥作用或出错。
“由国家老龄化研究所支持的研究发现，适度的饮食和药物干预可以使动物多活25%，”约翰逊说。“所以，问题是，他们的大脑在这段延长的寿命中是否仍然完好无损？他们还能做填字游戏吗？即使他们多活了 25%，他们也能做数独吗？我们现在有能力审视它。当我们这样做时，我们可以将其直接转化为人类的状况。
这项研究得到了美国国立卫生研究院（R01-AG070913391，R01-NS096729，P41EB015897，S10OD010683）的支持。
引自：“整个小鼠大脑的合并磁共振和光片显微镜”，G. Allan Johnson，Yuqi Tian，David G. Ashbrook，Gary P. Cofer，James J. Cook，James C. Gee，Adam Hall，Kathryn Hornburg，Yi Qi，Fang-Cheng Yeh，Nian Wang，Leonard E. White，Robert W. Williams。美国国家科学院院刊，2023 年 4 月 17 日。 DOI： 10.1073/pnas.2218617120
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