En bærbar hjernescanner til studier af menneskelig interaktion, demens, bevægelsesforstyrrelser, og mere

Patienter, der gennemgår en positronemissionstomografi (PET)-scanning i dagens omfangsrige, doughnut-formede maskiner skal ligge helt stille. På grund af dette, Forskere kan ikke bruge scannerne til at afdække forbindelser mellem bevægelse og hjerneaktivitet. Hvad sker der deroppe, når vi nikker samtykkende eller giver hånd? Hvordan er hjernen hos mennesker, der kæmper for at gå efter et slagtilfælde, anderledes end dem, der kan?

For at løse spørgsmål som disse, Julie Brefczynski-Lewis, en neuroforsker ved West Virginia University (WVU), har indgået partnerskab med Stan Majewski, en fysiker ved WVU og nu ved University of Virginia, at udvikle en miniaturiseret PET-hjernescanner. Scanneren kan "bæres" som en hjelm, giver forskningspersoner mulighed for at stå og lave bevægelser, mens enheden scanner. Denne Ambulatory Microdosis Positron Emission Tomography (AMPET) scanner kunne lancere nye psykologiske og kliniske undersøgelser af, hvordan hjernen fungerer, når den påvirkes af sygdomme fra epilepsi til afhængighed, og under almindelige og dysfunktionelle sociale interaktioner.

"Der er så mange muligheder, " sagde Brefczynski-Lewis, "Forskere kunne bruge AMPET til at studere Alzheimers eller traumatiske hjerneskader, eller endda vores balancesans. Vi ønsker at rykke grænserne for billedmobilitet med denne enhed."

Idéen blev udløst af en scanner udviklet til at studere rotter, et projekt startet i 2002 ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory. Majewski, en højenergifysiker af uddannelse, oprindeligt fanget Brookhavens "RatCAP"-projekt, fordi han kørte i de samme fysikerkredse som flere af RatCAP-teammedlemmerne.

"Jeg lærte om, hvad mine venner og kolleger i Brookhaven lavede, sagde Majewski, "og besluttede at bygge den samme type enhed til mennesker."

Brookhaven begyndelse

Det rottebevidste dyr PET, eller RatCAP, scanneren er en 250 grams ring, der passer rundt om hovedet på en rotte, ophængt af fjedre for at støtte dens vægt og lade rotten suse rundt, mens enheden scanner. Nora Volkow, leder af Brookhavens Life Sciences division på det tidspunkt, kom på ideen om at afbilde hjernerne på vågne og bevægende dyr.

"Jeg ville lave PET-scanninger på dyr uden at skulle bruge bedøvelse, " sagde Volkow, som nu er direktør for det nationale institut for stofmisbrug. I modsætning til mennesker, dyr kan ikke få besked på at ligge stille i en scanner. Men bedøvelsen, der kræves for at få dem til at ligge stille, forvirrer resultaterne. "Det påvirker fordelingen af ​​PET-radiosporeren og hæmmer neuroner, " sagde Volkow. En bærbar scanner, imidlertid, ville bevæge sig med dyrets hjerne og eliminere behovet for bedøvelse (se HVORDAN KÆRET FUNGERER). Volkow fik hjælp fra Brookhaven-videnskabsmænd og ingeniører for at gøre ideen til virkelighed.

Sporing af partikler

Heldigvis, der er et stort overlap mellem medicinsk billeddannelse og kernefysik, et emne, hvor Brookhaven Lab er førende i verden. I dag, fysikere ved laboratoriet bruger teknologi, der ligner PET-scannere ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), hvor de skal spore partiklerne, der flyver ud af kollisioner med næsten lyshastighed af ladede kerner. PET-forskning på laboratoriet går tilbage til begyndelsen af ​​1960'erne og omfatter skabelsen af ​​den første enkeltplansscanner samt forskellige spormolekyler.

"Begge felter tænker på de samme ting - hvordan fotodetektorerne fungerer, hvordan de glitrende krystaller virker, hvordan elektronikken fungerer, " sagde Brookhaven-fysiker Craig Woody. "PET-scannere, samt CT [computertomografi] og MR [magnetisk resonansbilleddannelse], bruges af læger, men de er bygget af detektorfysikere."

Woody, som nu arbejder på en ny partikeldetektor til RHIC, ledet RatCAP-projektet med David Schlyer og Paul Vaska. På det tidspunkt, Schlyer og Vaska var ledere af Brookhavens cyklotronoperationer og PET-fysik, henholdsvis. Schlyer er nu videnskabsmand emeritus ved laboratoriet, og Vaska er professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Stony Brook University.

Ved udformningen af ​​den lille skala scanner, holdet brugte de seneste fremskridt inden for detektorteknologi. For eksempel, de brugte tætte krystaller til at omdanne gamma-fotoner genereret af positron-elektron-interaktioner til synligt lys, sammen med små lysdetekterende sensorer kaldet lavinefotodioder. De brugte også speciel elektronik udviklet på Brookhaven og indbygget i den kompakte, letvægts PET-detektor. Ophængning af strukturen på lange fjedre hjalp med at støtte dens vægt, så rotter kunne "bære" scanneren, mens de nemt bevægede sig rundt.

"Det var et meget samarbejde, " sagde Schlyer, der producerede de radioisotoper, der var nødvendige til scanningerne. "Vi havde folk fra fysik, biologi, kemi, medicin, og elektroteknik."

Fra rotter til hatte

Der blev rykket ud om RatCAP, da forskerne præsenterede deres fremskridt ved konferencer og møder. Stan Majewski, derefter på DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab), lagde mærke til. Han havde arbejdet på nye metoder til billeddannelse af brystkræft, at anvende sin højenergifysikdetektorekspertise til det medicinske område.

"Jeg havde kendt Stan i lang tid - vi arbejdede sammen på CERN, det europæiske kernefysiklaboratorium, " sagde Woody. "Jeg er nødt til at give ham kredit, fordi han konstant sagde 'du burde virkelig lave medicinsk fysik'."

Majewski bemærkede, at Jefferson Labs ledelse var meget støttende for projektet og gav nogle startpenge, selv efter at han flyttede til WVU for at arbejde mere med medicinsk billeddannelse. Mens han var der, udvidede han ideerne fra RatCAP og byggede en prototype, bærbar PET-hjerneafbildning til mennesker.

"Et mobilt hjernebilledværktøj har applikationer i psykologiforskning og kliniske anvendelser, " sagde Majewski. "Du kunne lave bedside billeddannelse af epilepsi, for eksempel, og se, hvad der sker i hjernen under et anfald."

Majewskis "Helmet_PET" prototype, patenteret i 2011, brugte silicium fotomultiplikatorer - en nyere, tilsvarende kompakt, men mere effektiv fotodetektor end lavinefotodioderne, der bruges i RatCAP.

"Stan så potentialet i RatCAP og tog det videre, " sagde Woody.

Patenttegningen af ​​prototypen sad på Majewskis skrivebord på WVU, da Brefczynski-Lewis, en neurovidenskabsmand, gik ind. Tegningen af ​​en hjelmformet detektor på en oprejst person fangede hendes opmærksomhed.

"Jeg havde altid været generet af denne midterzone i hjernen, som du ikke kunne nå med andre billedteknologier, " sagde hun. "Med elektroencefalografi (EEG) kan du ikke nå dybe hjernestrukturer, men med PET og MR kan man ikke have bevægelse. Jeg troede, at Stans enhed kunne fylde denne niche."

Efter at have bygget den første prototype på WVU, de to videnskabsmænd begyndte at bruge Helmet_PET til at afbilde frivillige patienters hjerner. Efter at Majewski blev overført til University of Virginia, udviklede holdet en nyere model af enheden, nu kendt som AMPET. Den aktuelle billeddannende hætte er designet til at scanne en stående person og er fastgjort til en overliggende støtte, giver mulighed for lidt bevægelse.

AMPET har stor lighed med en af ​​de første PET-scannere bygget i Brookhaven, kaldet "hårtørreren".

"Idéerne er på en måde kommet fuld cirkel, " sagde Schlyer. "Det, der har ændret sig, er den teknologi, der gør disse enheder mulige."

AMPET-teamet håber snart at begynde at udvikle en fuld-hjerne-scanner - en, der dækker hele hovedet i stedet for at undersøge en vandret 5-centimeter sektion, ligesom den nuværende ring.

Mikrodosis har et stort potentiale

Fordi AMPET sidder så tæt på hjernen, den kan "fange" flere af de fotoner, der stammer fra radiosporerne, der bruges i PET, end større scannere kan. Det betyder, at forskere kan administrere en lavere dosis radioaktivt materiale og stadig få et godt biologisk øjebliksbillede. At fange flere signaler gør det også muligt for AMPET at skabe billeder i højere opløsning end almindelig PET.

Men vigtigst af alt, PET-scanninger giver forskere mulighed for at se længere ind i kroppen end andre billedbehandlingsværktøjer. Dette lader AMPET nå dybe neurale strukturer, mens forskningspersonerne er oprejst og bevæger sig.

"Mange af de vigtige ting, der foregår med følelser, hukommelse, og adfærd er langt dybt i midten af ​​hjernen:de basale ganglier, hippocampus, amygdala, " sagde Brefczynski-Lewis.

Fra en psykologs eller neuroforskers perspektiv, AMPET kunne åbne døre til en række eksperimenter, fra at udforske hjernens reaktioner på forskellige miljøer til de mekanismer, der er involveret i at skændes eller være forelsket.

Brefczynski-Lewis beskrev måder at bruge AMPET til at studere hjerneaktiviteten, der ligger til grund for følelser. "I øjeblikket laver vi test for at validere brugen af ​​virtual reality-miljøer i fremtidige eksperimenter, " sagde hun. I denne "virtuelle virkelighed, "frivillige læste fra et manuskript designet til at gøre emnet vredt, for eksempel, da hans eller hendes hjerne scannes.

På det medicinske område, scanningshjelmen kunne hjælpe med at forklare, hvad der sker under medicinbehandlinger, eller kaste lys over bevægelsesforstyrrelser.

"Der er en underpopulation af Parkinsons patienter, som har meget svært ved at gå, men kan cykle med lethed og uden tøven, " sagde Schlyer, som også er adjungeret professor i radiologiafdelingen ved Weill Cornell Medical College, hvor han studerer Parkinsons. "Hvad foregår der i deres hjerner, der gør disse to aktiviteter så forskellige? Med denne enhed kunne vi overvåge regional hjerneaktivering, mens patienter går og cykler, og muligvis besvare det spørgsmål."

Brefczynski-Lewis bemærkede, "Vi har med succes afbildet hjernen af ​​en, der går på plads. Nu er vi klar til at bygge en laboratorieklar version. Det har været en spændende rejse - at afdække behovene hos forskellige neurovidenskabsmænd og udvikle denne enhed, som vi håber en dag vil opfylde disse behov , og hjælpe i vores søgen efter at forstå hjernen."

RatCAP-projektet i Brookhaven blev finansieret af DOE Office of Science. RHIC er en DOE Office of Science-brugerfacilitet til kernefysikforskning.