NexGen 7T核磁共振扫描仪标志着脑成像的突破，提供了前所未有的分辨率，可能会改变神经科学研究和脑部疾病的诊断。这项技术由BRaiN Initiative资助，可以对大脑回路进行详细成像，并可能在理解精神和神经疾病方面取得重大进展。
更高的分辨率将使神经科学家能够更精确地定位和追踪大脑网络。
为了提高用于研究人类大脑的磁共振成像(MRI)的分辨率，国际上进行了激烈的努力，最终研制出了超高分辨率的7特斯拉扫描仪，该扫描仪记录的细节是目前7T扫描仪的10倍，是目前大多数医院的主要设备3T扫描仪的50倍以上。
增强脑成像细节
分辨率的显著提高意味着科学家可以看到0.4毫米的功能性核磁共振成像(fMRI)特征，而今天标准的3T功能核磁共振成像通常只有2或3毫米。
“NexGen 7T扫描仪是一种新工具，它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的大脑回路，从而在更高的粒度上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成像研究的前沿，”David Feinberg说，他是建造扫描仪项目的负责人，加州大学伯克利分校海伦威尔斯神经科学研究所的代理教授，也是高级核磁共振技术(AMRIT)的总裁，这是一家位于加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的大脑回路潜在变化，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。”
将于今天(11月27日)发表在《自然方法》杂志上的一篇论文描述了这种下一代或新一代7T核磁共振扫描仪。
NexGen 7T扫描仪的横截面图，显示了新的脉冲头部梯度线圈(绿色)和接收器-发射线圈(白色)放在一个可移动的床上(棕色)，并连接到一个电子接口(蓝色)，该电子接口包含近一千根导线(蓝色)，这些导线从磁铁中伸出。来源:Bernhard Gruber, MGH Harvard
神经科学研究的新时代
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回路，并允许研究人员跟踪信号在我们思考和推理时从皮层的一个区域传播到另一个区域，或许还能发现发育障碍的潜在原因。这可能会导致更好的诊断脑部疾病的方法，也许通过识别新的生物标志物，可以更早地诊断精神疾病，或者更具体地说，为了选择最好的治疗方法。
范伯格说:“通常情况下，核磁共振成像根本不够快，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。”“扫描仪的高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间接揭示大脑回路。”
使用更高分辨率的新一代7T核磁共振成像(左)与传统7T扫描仪(中)和标准3T医院扫描仪(右)进行人脑扫描的比较。有了更高的分辨率，神经科学家可以更精确地定位大脑中的信号(橙色)，以了解正常的大脑回路和与大脑疾病相关的变化。来源:大卫·范伯格和亚历克斯·贝克特，加州大学伯克利分校和高级核磁共振技术
这是可能的，因为神经科学家发现，在视觉脑区，浅层和最深的皮层层(右图中的蓝色箭头)包含“自上而下”的回路，也就是说，它们接收来自大脑皮层高层的信息，而中间皮层包含“自下而上”的回路，接收来自我们感官的输入到大脑。将功能磁共振成像的活动精确定位到大脑皮层的特定深度，可以让神经科学家追踪整个大脑和大脑皮层的信息流。
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)心理学教授西尔维娅·邦吉(Silvia Bunge)是最早使用新一代7T进行人脑研究的人之一，他说，有了更高的空间分辨率，神经科学家将能够专注于单个体素(3D像素)内850个神经元的活动，而不是标准的医院核磁共振成像(mri)记录的60万个神经元。
研究抽象推理的邦格说:“我们能够看到前额叶皮层的分层轮廓，它很漂亮。”“拥有这台最先进、世界一流的机器真是太令人兴奋了。”
Revolutio大脑紊乱研究
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的公共卫生教授威廉·贾格斯特(William Jagust)研究与阿尔茨海默病相关的大脑变化，他认为，分辨率的提高最终可能有助于将观察到的阿尔茨海默病导致的大脑变化——被称为β淀粉样蛋白和tau蛋白的异常团块——与记忆变化之间的点联系起来。
贾格斯特说:“我们知道，随着年龄的增长，大脑中记忆系统的一部分会退化，但我们对记忆系统的实际变化知之甚少——由于我们目前的核磁共振成像系统的分辨率，我们只能走到目前为止。”“有了这种新的扫描仪，我们认为我们将能够更仔细地分解出问题的地方。这可以帮助诊断或预测正常人的结果。”
弥散性核磁共振成像——被称为束状图——是神经元发送到大脑白质的轴突束，白质位于大脑表面皮层灰质的内部。图像显示了从周围皮层延伸到整个白质的通信电路。来源:加州大学旧金山分校的An T. Vu和加州大学伯克利分校的David Feinberg以及Advanced MRI技术
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)心理学教授杰克·加兰特(Jack Gallant)希望，这种扫描仪能帮助神经科学家发现，大脑的功能变化是如何导致发育和精神障碍的，比如阅读障碍、自闭症和精神分裂症，或者是由神经障碍引起的，比如痴呆和中风。
“精神障碍对个人、家庭和社会都有巨大的影响。它们加起来约占美国GDP的10%。精神障碍从根本上说是大脑功能障碍，但目前还没有使用功能测量来诊断大多数大脑疾病，也没有使用功能测量来观察治疗是否有效。相反，这些疾病是通过行为来诊断的。这是一个薄弱的方法，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，”Gallant说。“我们需要的是像这样更强大的核磁共振成像仪，这样我们就可以以高分辨率绘制信息在大脑中的表现方式。对我来说，这是超高分辨率核磁共振成像的巨大潜在临床益处。”
大脑活动
这一突破来自于美国国立卫生研究院(NIH)通过推进创新神经技术的大脑研究(Brain)计划提供的1340万美元的初始资金。该计划旨在开发新技术，以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Weill Neurohub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医疗(一家主要的医院和研究MRI扫描仪制造商)组建一个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MR CoilTech有限公司，磁共振成像中用于产生和记录信号的发射器和接收器探测器线圈的制造商;和AMRIT，一个控制扫描仪硬件的成像脉冲序列的设计者。
西门子与Feinberg的团队合作，结合了这些团队最新开发的硬件技术，重建了2000年交付给加州大学伯克利分校的传统7特斯拉核磁共振扫描仪，以提高脑部扫描过程中捕获的图像的空间分辨率。
“世界各地使用7T核磁共振扫描仪的地点大幅增加，但它们大多用于开发，很难使用，”来自萨克雷巴黎大学神经旋项目的物理学家尼古拉斯·布兰特(Nicolas Boulant)说，他领导的团队操作着世界上唯一的11.7特斯拉核磁共振扫描仪，这是迄今为止使用的最强磁场。“大卫的团队确实整合了许多因素，使7特斯拉实现了巨大的飞跃，超越了以前可以实现的目标，并获得了性能。”
Boulant希望在新一代7T中采用一些新成分，特别是重新设计的梯度线圈，最终通过11.7特斯拉核磁共振扫描仪实现更好的分辨率。梯度线圈在大脑中产生一个上升的磁场，这样大脑的每个部分都能看到不同的磁场强度，这有助于精确地绘制大脑活动图。
他说:“磁场越高，就越难以真正抓住这些高场核磁共振扫描仪所承诺的潜力，以观察人类大脑的更精细细节。”“你需要所有这些外围设备，这些设备需要非常强大才能实现这些承诺。当你想做神经MRI时，NexGen 7T确实是一个改变游戏规则的设备。”
创新技术
为了达到更高的空间分辨率，新一代7T扫描仪必须设计有一个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，以实现更高的皮层信噪比(SNR)和更快的数据采集。所有这些改进都与超高场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电线绕组制成的。“脉冲”梯度由德国埃尔兰根西门子公司的彼得·迪茨设计，其性能是目前7T扫描仪中梯度系统的10倍。Mathias davis是德国曼海姆海德堡大学的物理学研究生，也是Feinberg团队的一员，他与Dietz合作进行了生理建模，以实现更快的梯度转换率(一种测量磁场在大脑中变化速度的方法)，同时保持在人体的神经元刺激阈值之下。
范伯格说:“它的设计是为了使梯度脉冲可以更快地打开和关闭——在微秒内——更快地记录信号，也因此可以利用更高振幅的梯度，而不刺激身体的周围神经或刺激心脏，这是生理上的限制。”
Feinberg说，扫描仪的第二个关键发展是128通道的接收系统，取代了标准的32通道。由英国格拉斯哥MR CoilTech公司的Shajan Gunamony建造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，并提供了更高的并行成像加速，以便更快地获取数据，编码用于超高分辨率fMRI和结构MRI的大图像矩阵。
为了利用新的硬件技术，Suhyung Park, r
体素的物质
最常见的核磁共振扫描仪使用超导磁体，产生3特斯拉的稳定磁场，比地球磁场强9万倍。
“一台3T fMRI扫描仪可以分辨出2到3毫米分辨率的空间细节。支撑思想和行为的皮质回路直径约0.5毫米，所以标准的研究扫描仪无法分辨这些重要的结构，”Gallant说。
相比之下，fMRI关注的是动脉和静脉的血流，可以生动地区分进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在特定任务中大脑的哪些区域参与其中。
但是，3T功能磁共振成像的3mm分辨率只能区分大静脉，而不能区分可以指示微电路活动的小静脉。
NexGen 7T将允许神经科学家精确定位灰质薄皮质层内的活动，以及垂直于这些层的窄柱电路。加兰特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表现出来的。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。
加兰特说:“从理论上讲，大卫建造的机器应该可以精确到500微米，或者类似的东西，这比其他任何东西都要好得多——我们非常接近你想要的尺度，例如，如果你从单根柱子上获得信号。”“这太棒了。核磁共振成像的关键在于你正在记录的小体积单位，体素，三维像素有多大。这是唯一重要的事情。”
目前，新一代7T脑部扫描仪必须在常规7T扫描仪的基础上定制。不过，这一成本应该大大低于建造第一艘所需的2,200万美元。这些资金不仅来自BRAIN计划，还来自加州大学伯克利分校Helen Wills神经科学中心的资金，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新一代7T扫描仪技术将由西门子和MR CoilTech有限公司推广。
“我的观点是，我们可能永远无法在细胞突触电路水平上理解人类大脑，那里的连接比宇宙中的恒星还多，”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理解人类的大脑组织，这将给我们一个新的视角来研究疾病的过程，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更好的理解和看法，我们可以可靠地测试和无创地重复使用。”
参考文献:“为7特斯拉超高分辨率人脑成像设计的下一代MRI扫描仪”2023年11月27日，《自然方法》。DOI: 10.1038 / s41592 - 023 - 02068 - 7
该论文的其他共同作者是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刘春蕾;加州大学旧金山分校的Joseph Vu;马萨诸塞州总医院A. A. Martinos生物医学成像中心的Lawrence Wald、Bernhard Gruber、Jon Polimeni和Jason Stockmann;加州斯坦福大学的Kawin Setsompop;位于德国波恩的德国神经退行性疾病中心的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Suhyung Park。
这项工作得到了美国国立卫生研究院(NIH) (U01-EB025162, R01-322 MH111444)和其他NIH拨款(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助。
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