创新设计使功能性 MRI 脑成像的分辨率提高了 10 倍

为了提高用于研究人脑的磁共振成像 （MRI） 的分辨率，国际社会做出了巨大的努力，最终推出了一款超高分辨率 7 特斯拉扫描仪，它记录的细节比目前的 7T 扫描仪多 10 倍，比目前的 3T 扫描仪多 50 多倍，这是大多数医院的支柱。

分辨率的显着提高意味着科学家可以看到 0.4 毫米宽的功能性 MRI （fMRI） 特征，而当今标准 3T fMRI 的典型直径为 2 或 3 毫米。

“NexGen 7T扫描仪是一种新工具，它使我们能够在fMRI、弥散和结构成像中以更高的空间分辨率观察大脑不同疾病背后的大脑回路，从而在更高的粒度下进行人类神经科学研究。这使加州大学伯克利分校处于人类神经影像学研究的最前沿，“David Feinberg说，他是建造扫描仪的项目主任，加州大学伯克利分校Helen Wills神经科学研究所的代理教授，也是Advanced MRI Technologies （AMRIT）的总裁，这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脑部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。

这种下一代或NexGen 7T MRI扫描仪将在11月27日发表在 《自然方法》杂志上的一篇论文中进行了描述。

Bernhard Gruber，马萨诸塞州总医院和哈佛大学

提高的分辨率将帮助神经科学家探测大脑新皮层不同区域的神经元回路，并允许研究人员在我们思考和推理时跟踪从大脑皮层的一个区域传播到另一个区域的信号，并可能发现发育障碍的根本原因。这可能会导致诊断脑部疾病的更好方法，也许是通过识别新的生物标志物，可以更早地诊断精神障碍，或者更具体地说，为了选择最佳疗法。

“通常情况下，MRI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，”Feinberg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，通过区分大脑皮层不同细胞层的活动来间接揭示大脑回路。

David Feinberg 和 Alex Beckett，加州大学伯克利分校和 Advanced MRI Technologies;Renzo Huber，马斯特里赫特大学

这是可能的，因为神经科学家在视觉大脑区域发现，浅层和最深层的皮层（右图中的蓝色箭头）包含“自上而下”的回路，也就是说，它们从高级皮质大脑区域接收信息，而中皮层涉及“自下而上”的回路，从我们的感官接收大脑的输入。将功能磁共振成像活动精确定位到大脑皮层的特定深度，使神经科学家能够跟踪整个大脑和皮层的信息流。

加州大学伯克利分校（UC Berkeley）心理学教授西尔维娅·邦吉（Silvia Bunge）说，随着空间分辨率的提高，神经科学家将能够在一个体素（3D像素）内关注大约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，他是最早使用NexGen 7T对人脑进行研究的人之一。

“我们能够看到前额叶皮层的层轮廓，它很漂亮，”研究抽象推理的邦吉说。“拥有这台最先进的世界级机器真是太令人兴奋了。”

加州大学伯克利分校（UC Berkeley）公共卫生教授威廉·贾古斯特（William Jagust）研究与阿尔茨海默病相关的大脑变化，对于他来说，改进的分辨率最终可以帮助将观察到的阿尔茨海默氏症引起的变化联系起来，这些变化发生在大脑中 – 称为β淀粉样蛋白和tau蛋白的异常蛋白质团块 – 和记忆变化。

“我们知道大脑中记忆系统的一部分会随着年龄的增长而退化，但我们对记忆系统的实际变化知之甚少 – 由于我们目前MRI系统的分辨率，我们只能走到这一步，”Jagust说。“有了这款新的扫描仪，我们认为我们将能够更仔细地拆解出问题所在。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（Jack Gallant）希望扫描仪能够帮助神经科学家发现大脑的功能变化如何导致发育和精神障碍，如阅读障碍、自闭症和精神分裂症，或者由神经系统疾病（如痴呆和中风）引起。

“精神障碍对个人、家庭和社会都有巨大的影响。它们合计约占美国GDP的10%。精神障碍从根本上说是脑功能障碍，但功能测量目前尚未用于诊断大多数脑部疾病或查看治疗是否有效。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精神状态会导致完全相同的行为，“加兰特说。“我们需要的是像这样更强大的MRI机器，这样我们就可以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。

BRAIN倡议

这一突破来自美国国立卫生研究院 （NIH） 的 Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies （BRAIN） Initiative 的 1340 万美元初始资金。该计划旨在开发新技术，以产生大脑的动态图像，显示单个细胞和复杂的神经回路如何在整个大脑中以及随着时间的推移相互作用。

加州大学旧金山分校的 T. Vu 和加州大学伯克利分校的 David Feinberg 和 Advanced MRI Technologies

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Feinberg能够在跨国公司西门子医疗组建一支由学者和领先科学家组成的多学科团队，西门子医疗是医院和研究MRI扫描仪的主要制造商;苏格兰格拉斯哥的MR CoilTech Limited，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;以及 AMRIT，一个控制扫描仪硬件的成像脉冲序列设计器。

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，以提高脑部扫描期间捕获的图像的空间分辨率。

“全世界使用7T MRI扫描仪的网站大幅增加，但它们主要用于开发，难以使用，”来自巴黎萨克雷大学NeuroSpin项目的物理学家Nicolas Boulant说，他领导着运营世界上唯一的11.7特斯拉MRI扫描仪的团队。 迄今为止使用的最强磁场。“大卫的团队真的把许多因素放在一起，在7特斯拉上实现了巨大的飞跃，超越了以前可以实现的目标，并获得了性能。

Boulant 希望调整 NexGen 7T 中的一些新成分，特别是重新设计的梯度线圈，最终使用 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上升的磁场，使大脑的每个部分都看到不同的场强，这有助于精确绘制大脑活动图。

“磁场越高，就越难真正抓住这些高场MRI扫描仪所承诺的潜力，以看到人脑中更精细的细节，”他说。“你需要所有这些外围设备，这些设备需要类固醇才能实现这些承诺。当您想进行神经 MRI 时，NexGen 7T 确实改变了游戏规则。

Matthias Davids，海德堡大学和 MGH 哈佛大学，以及加州大学伯克利分校的 David Feinberg

为了达到更高的空间分辨率，NexGen 7T 扫描仪必须设计有大大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，在皮层中实现更高的信噪比 （SNR） 和更快的数据采集。所有这些改进都与来自超高场 7T 磁体的更高信号相结合，以实现扫描仪性能的累积提升。

极其强大的梯度线圈是第一个由三层绕组制成的线圈。“脉冲”梯度由德国埃尔朗根西门子的 Peter Dietz 设计，其性能是当前 7T 扫描仪梯度系统的 10 倍。Mathias Davids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，以实现更快的梯度压摆率 – 测量磁场在整个大脑中变化的速度 – 同时保持在人体的神经元刺激阈值以下。

“它的设计使得梯度脉冲可以更快地打开和关闭 – 在微秒内 – 以更快地记录信号，并且还可以利用更高的振幅梯度，而不会刺激身体的周围神经或刺激心脏，这是生理限制，”Feinberg说。

Feinberg说，扫描仪的第二个关键发展是128通道接收器系统，它取代了标准的32通道。由英国格拉斯哥 MR CoilTech 的 Shajan Gunamony 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度，以实现更快的数据采集，以编码超高分辨率 fMRI 和结构 MRI 的大型图像矩阵。

为了利用新的硬件技术，Suhyung Park、Rüdiger Stirnberg、Renzo Huber、Xiaozhi Cao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，小于 0.1 微升，提供的 3D 图像分辨率比以前的 7T fMRI 高 10 倍，比用于医学诊断的典型医院 3T MRI 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。

Shajan Gunamony，MR CoilTech Ltd. 和格拉斯哥大学，英国

“3T扫描仪只能解析约2毫米至3毫米宽的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。这使得无法看到和研究微电路的功能 – 只有0.5毫米宽 – 负责特定动作，“Gallant说。

相比之下，功能磁共振成像侧重于动脉和静脉中的血流，可以生动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。这使神经科学家能够确定大脑的哪些区域在特定任务中参与。

但同样，3T fMRI的3毫米分辨率只能区分大静脉，而不能区分可能表明微电路内活动的小静脉。

NexGen 7T将使神经科学家能够精确定位灰质中薄皮质层内的活动，以及垂直于这些层组织的狭窄柱回路内的活动。Gallant对这些专栏特别感兴趣，他研究我们看到的世界如何在视觉皮层中表示。实际上，他已经能够仅根据大脑视觉皮层的记录来重建一个人所看到的东西。

“从理论上讲，David建造的机器应该下降到500微米，或者类似的东西，这比其他任何东西都要好得多 – 例如，如果你从单个柱子获得信号，我们非常接近你想要的规模，”Gallant说。“这太棒了。关于MRI的整个事情是小体积单元，体素，你记录的三维像素有多大。这是唯一重要的事情。

目前，NexGen 7T 脑部扫描仪必须由常规 7T 扫描仪定制而成。然而，成本应该大大低于建造第一个所需的2200万美元。这些资金不仅来自BRAIN计划，还来自加州大学伯克利分校通过海伦·威尔斯神经科学中心（Helen Wills Neuroscience Center）的资金，Feinberg，Bunge，Gallant和Jagust都隶属于该中心。

Feinberg表示，加州大学伯克利分校的NexGen 7T扫描仪技术将由西门子和MR CoilTech Ltd.推广。

“我的观点是，我们可能永远无法在细胞突触回路水平上理解人脑，那里的连接比宇宙中的恒星还多，”Feinberg说。“但是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理解人脑组织，这将使我们对疾病过程有一个新的看法，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，我们可以可靠地测试和可重复地无创地使用。

该论文的其他合著者是Advanced MRI Technologies的Alexander Beckett;加州大学伯克利分校海伦威尔斯神经科学研究所的Chunlei Liu;加州大学旧金山分校的 An （Joseph） Vu;马萨诸塞州总医院 AA Martinos 生物医学成像中心的 Lawrence Wald、Bernhard Gruber、Jon Polimeni 和 Jason Stockmann;加利福尼亚州斯坦福大学的 Kawin Setsompop;德国波恩德国神经退行性疾病中心的吕迪格·斯滕伯格（Rudiger Sternberg）;荷兰马斯特里赫特大学的Laurentius （Renzo） Huber;以及韩国全南国立大学的朴秀亨（Suhyung Park）。

这项工作得到了BRAIN计划通过NIH（U01-EB025162，R01-322 MH111444）和其他NIH赠款（P41-EB030006，NIH R44-MH129278）以及加州大学伯克利分校校长办公室和威尔神经中心的资金支持。