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最完整人类大脑三维图像

最完整人类大脑三维图像

最完整人類大腦三維圖像

近日,麻省總醫院(MGH)的研究人員通過一台超級7T核磁共振掃描儀(MRI),對一名死於病毒性肺炎的58歲女性大腦進行近5天的掃描,獲得了迄今為止最為詳細的完整人類大腦三維圖像。

視頻 | 這段視頻以極高的分辨率展現了完整人腦的皮層褶皺和內部結構(來源:B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019)

研究人員對完整靜止大腦標本進行 100 多個小時 7T(特斯拉,磁感應強度單位)強度的核磁共振掃描,才獲得了這些高分辨率圖像,展現了包括杏仁核在內的大腦結構的生動細節,為科學家們更深入地理解與創傷後應激障礙等疾病相關的解剖學細微變化提供了幫助。

研究人員表示,這些數據集提供了一個前所未有的三維人類大腦神經解剖學視圖。為了優化該資源的效用,研究人員將數據集轉換為標准立體定位空間,並將完整大腦圖像的相關視頻以及底層數據集公開發布,以促進更多研究人員對人類大腦解剖在健康和疾病方面的理解,以及在教育和臨床中的應用。相關成果於 5 月 31 日在 bioRxiv.org 上以預印本的形式發表。

「我們從未見過如此完整的大腦,這絕對是史無前例的。」沒有參與此項研究的西奈山伊坎醫學院電氣工程師 Priti Balchandani 評價道。

超級核磁共振掃描儀

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以人體檢查為例,先來了解一下核磁共振成像的原理。

將人體置於特殊的磁場中,用無線電射頻脈沖激發人體內氫原子核,引起氫原子核共振,並吸收能量。在停止射頻脈沖後,氫原子核按特定頻率發出射電信號,並將吸收的能量釋放出來。體外的接收器可以監測這些能量,經計算機處理獲得圖像,就形成了核磁共振。

核磁共振成像所獲得的圖像非常清晰精細,同時,核磁共振也不需要注射造影劑,對人體無電離輻射。除此之外,核磁共振還可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像。

核磁共振掃描儀的磁場強度越大,獲得的圖像分辨率越高,但被觀察組織的溫度也會升高。上世紀 70 年代中期,第一台應用於人體的核磁共振掃描儀問世,當時許多科學家認為 0.5T 將是核磁共振的最大磁場強度( 相比之下,地球的磁場只有0.00005T),因為他們認為活體組織的離子導電性將阻止無線電波穿透人體。

不過,到了上世紀 80 年代,就出現了臨床應用的 1.5T 核磁共振掃描儀,如今,大部分醫院使用核磁共振掃描儀磁場強度為 1.5T 或 3T 。

1999 年,第一台場強高達 7T 的用於科研的核磁共振掃描儀問世,之後又有很多高強度 MRI 陸續在全球幾十家大學和研究機構裝機,目前,世界上最強的磁共振儀是美國國家強磁場試驗室里的 21.1T 核磁共振設備,不過,這個最強設備內部空間直徑只有 10.5 厘米,因此無法用於人體研究。

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圖 | 使用3T(左)和9.4T(右)核磁共振掃描儀的大腦成像對比(來源:Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biological Cybernetics)

7T 及更強的核磁共振掃描儀在進行腦成像時,分辨率可達到 0.5 毫米以下,這足以分辨人體大腦皮質區里的功能單位,甚至可以讓我們有機會了解活體大腦神經元細胞之間的信息流動情況,為非侵入的精準醫學奠定了基礎。關於磁共振成像的發現也於 2003 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

不過,這些超級設備,每一台都價值數千萬美元甚至更高,建造和組裝這麼一台高場強的核磁共振設備也是一個巨大的挑戰,之前幾家機構光是准備使用這種核磁共振掃描儀做動物實驗,就花費了數年時間。在一台超過 10T 的核磁共振掃描儀中進行人體掃描成像,相當於在一個四米長的管狀機器中,周圍被 110 噸的磁體和 600 噸的鐵屏蔽層環繞。

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圖 | 一台 10.5T 核磁共振設備被運送到明尼蘇達大學磁共振研究中心(來源:University of Minnesota)

2017 年,美國食品藥品監督管理局(FDA)批准了首台應用於臨床成像的7T核磁共振掃描儀,這也標志着 7T 核磁共振成像設備不再僅應用於科研目的,其巨大的臨床應用潛力將改變神經退行性疾病如阿爾茨海默病、帕金森病等疾病的發病機理、早期診斷、治療方案確定以及治療效果評估上,並在神經、血管、腫瘤、骨關節等多個方面帶來全新的突破性進展。

史上最詳細大腦圖像

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想要使用 7T 及更強的核磁共振掃描儀診斷和研究大腦疾病,還面臨着一些棘手的問題,包括活人無法忍受長時間的核磁共振掃描,以及活人大腦的不自覺活動。比如一個人動動腳趾頭,大腦也會跟着動,甚至那些來自呼吸和血液的運動,也會造成大腦圖像模糊。

為了獲得一份完整且詳細的大腦三維圖像,波士頓麻省總醫院及其它地方的研究人員,將目標鎖定在一名死於病毒性肺炎的 58 歲女性大腦標本,其大腦重達 1210克(正常范圍 1200 至 1500 克),死後 14 小時一直固定在 10% 的福爾馬林中。

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圖 | 體外核磁共振成像的人腦標本,下方(a)、上方(b)、右側(c)和左側(d)角度(來源:B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019)

而且這個來自捐獻的大腦樣本被認為是健康的,因為該女性沒有神經系統疾病病史,死於非神經病因。

在掃描開始之前,大腦標本已經在固定劑中保持了 35 個月,之後研究人員將大腦標本放入一個定製的球形聚氨酯盒子,以讓大腦保持靜止並讓干擾的氣泡逸出。

然後,牢固包裹的大腦進入一台7T超強核磁共振掃描儀中,進行了長達近 5 天的掃描成像,獲得了體外完整人腦標本前所未有的 100 微米分辨率空間圖像。

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圖 | 皮質下神經解剖學描述,腦干、內側顳葉和小腦前部的放大圖(來源:B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019)

研究人員使用不同的翻轉角(FA15°、FA20°、FA25°、FA30°)來生成多個合成體,每個合成體提供了不同的組織對比度。掃描的執行時間超過 100 小時(每個翻轉角約 25 小時),生成一個超過 8TB 的數據集(每個翻轉角度約 2TB),然後通過專門的計算工具來進行離線 MRI 重建和合成體創建。

研究人員表示,在屍檢標本中進一步推進這項技術「讓我們知道了什麼是可能的」。這些詳細的大腦圖像有助於增進研究人員對人類大腦解剖在健康和疾病方面的理解,幫助找出難以發現的大腦異常,包括昏迷和抑鬱症等精神疾病。

-End-

參考:

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/649822v1.full

https://www.nature.com/articles/d41586-018-07182-7

https://www.sciencenews.org/article/mri-scan-most-detailed-look-yet-whole-human-brain

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