Fysikere, ingeniører til at bygge næste generations MR-hjernescanner

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse, eller fMRI, har ændret vores syn på hjernen, tillader forskere at lokalisere områder, der er forbundet med alt fra depression og demens til at spille skak og dyrke sex.

Dens vigtigste begrænsning, imidlertid, er opløsning:Selv de mest kraftfulde scannere, ved hjælp af stærke 7 til 10 Tesla magneter (7T til 10T), kan ofte kun lokalisere aktivitet inden for en region, der måler flere millimeter på en side - på størrelse med et riskorn - der omfatter omkring 100, 000 individuelle neuroner, der laver en række forskellige ting.

For at zoome ind på mindre grupper af neuroner, University of California, Berkeley -forskere har genopfundet fMRI -teknikker og -instrumenter til at øge opløsningen med en faktor 20. De vil bruge et nyt BRAIN Initiative -tilskud på 13,43 millioner dollar fra National Institutes of Health til at bygge NexGen 7T i 2019 for at levere billeder med den højeste opløsning af hjernen nogensinde opnået, i stand til at fokusere på en region på størrelse med en valmue frø.

"Vores innovation inden for MR -teknologi kræver et totalt redesign af næsten alle scannerkomponenter, ikke bare en trinvis ændring, "sagde hovedforsker David Feinberg, adjungeret professor ved Helen Wills Neuroscience Institute ved UC Berkeley og formand for Advanced MRI Technologies. "Den billedbehandling med meget højere opløsning vil overvinde størrelsesbarrierer ved billeddannelse af cortex og bør føre til nye opdagelser i den menneskelige hjerne, forhåbentlig med stor medicinsk indvirkning. "

Med evnen til at identificere aktivitet inden for et volumen på 0,4 millimeter på en side, de vil kunne forestille sig funktionelle regioner, hvor de fleste neuroner er involveret i den samme type behandling. Dimensionerne er vigtige, fordi hjernens ydre lag, hjernebarken, består af gentagne mikrokredsløb i form af kolonner af neuroner, der er 0,4 millimeter på en side og 2 millimeter lange. I den visuelle cortex, for eksempel, hver kolonne reagerer på et specifikt træk ved sanseverdenen, såsom de lodrette kanter på objekter i modsætning til de vandrette kanter.

Ultrahøj opløsning MRI vil kunne zoome ind på disse kolonner og registrere deres aktivitet, og de vil lettere forbinde disse kolonner med undersøgelser af aktiviteten af ​​individuelle neuroner.

"Dette er et revolutionerende fremskridt, "sagde Ehud Isacoff, direktør for Helen Wills Neuroscience Institute og professor i molekylær og cellebiologi. "Det ville bringe undersøgelser af menneskelig hjernefunktion og kredsløb til den fineste skala ved at kigge ind i det grundlæggende kortikale mikrokredsløb og, dermed, gøre det muligt at relatere ikke-invasiv analyse af menneskelig hjernefunktion til invasive dyreforsøg af celler og lokale kredsløb på en måde, der aldrig var mulig før. "

Sporing af blodgennemstrømning

Funktionel MR (fMRI) virker ved at spore iltet blod, når det bevæger sig gennem hjernen. Aktive neuroner kræver mere ilt for at forbrænde brændstof og kræver derfor levering af mere iltet blod.

Klinisk MR bruges typisk til at lede efter abnormiteter i blodgennemstrømningen i hjernen; fMRI bruges primært til at undersøge hjernefunktion, lokalisering af områder, der er aktive under processer såsom opfattelse eller memorisering.

Den rumlige opløsning af fMRI -optagelser afhænger af magnetfeltets variation eller gradient og indirekte af detektorernes størrelse, som er trådspoler anbragt omkring hovedet for at opfange svage signaler. Selvom kliniske MR'er kræver store spoler til billedet dybt i hjernen, Feinberg designet et fMRI -system med et meget større antal mindre spoler, der giver et meget stærkere signal, hvilket giver den højere opløsning i den ydre overflade af hjernen, der er nødvendig for at identificere centrale lag i cortex.

Den nye scanner vil give neurovidenskabsfolk evnen til at fokusere på kortikale lag, hvor de fleste neuronale kredsløb findes samt bedre identificere store kredsløb, der forbinder forskellige områder af hjernen.

Feinberg og hans kolleger vil samarbejde med Siemens, verdens førende inden for fremstilling af MR -scannere, ikke kun for at bygge komponenter til det nye fMRI -system, men for at sikre, at designet hurtigt kan øges til at producere næste generations scannere til forskere rundt om i verden.

"Dette er en ny slags partnerskab, der vil muliggøre en hidtil uset formidling af viden og innovation til forskningssamfundet, "Sagde Isacoff.

Feinberg, en fysiker, vil samarbejde med Chunlei Liu, en lektor i elektroteknik og datalogi med speciale i MR -billeddannelse; Jack Gallant, en professor i psykologi, der har samarbejdet med Feinberg for at teste nye måder at udtrække information fra nutidens fMRI'er; Ana Arias, en professor i EECS og en ekspert i fleksibel elektronik; Michael Lustig, en lektor i EECS, der udviklede nye måder at fremskynde MR -scanning på; Michael Silver, en professor i optometri, der bruger fMRI til at studere de visuelle områder i hjernen, og hvordan neuronal behandling i disse områder påvirkes af opmærksomhed og perceptuel læring; og Pratik Mukherjee, en klinisk neuroradiolog og professor i radiologi og bioingeniør ved UCSF og San Francisco Veterans Administration hospital, der håber at bruge den nye fMRI til at forstå og behandle traumatisk hjerneskade, autisme og epilepsi.

Yderligere centrale samarbejdspartnere omfatter forskere ved Harvard University/Massachusetts General Hospital Radiology Department, herunder Kawin Setsompop, en ingeniør, der er banebrydende billedaccelerationsteknologi; Lawrence Wald, en fysiker, der designer og integrerer spoleteknologi; og Jonathan Polimeni, en videnskabsmand fokuseret på fMRI med høj opløsning.

"Den forbedrede opløsning kommer fra innovationer inden for hardware design, scannerkontrol og billedberegning, "sagde Liu, projektleder.

Gallant, Liu og Silver er også medlemmer af Helen Wills Neuroscience Institute og Berkeley Brain Initiative.

Berkeley og MR

"Resultatet af denne ultrahøjopløselige fMRI bliver den hidtil mest avancerede opfattelse af, hvordan sindets egenskaber, såsom opfattelse, hukommelse og bevidsthed, komme ud af hjernens operationer, "Feinberg sagde." Evnen til at observere forstyrrelser i hjernens strukturer og funktioner vil radikalt fremme diagnosen og forståelsen af ​​neurologiske og neurodegenerative sygdomme. "

UC Berkeley har været involveret i udviklingen af ​​MRI siden kort tid efter, at nuklear magnetisk resonans først blev opdaget i 1940'erne. Den afdøde UC Berkeley -fysiker Erwin Hahn gjorde flere vigtige opdagelser, herunder spin -ekko -effekten, der førte til moderne MR.

Hahn beskrev principperne for at skabe et gradient ekkosignal ved hurtigt at skifte en magnetisk gradient, og gradient ekko blev grundlaget for echo planar imaging (EPI), nu hovedsageligt brugt til al fMRI, Sagde Feinberg. EPI, hvilket får snapshot filmrammer i hjernen til at udføre fMRI, blev opfundet af Sir Peter Mansfield, der i 2003 delte Nobelprisen i fysiologi eller medicin for at udvikle MR.

BRAIN Initiative-prisen til Feinberg er den største af fire femårige tilskud på i alt 39,7 millioner dollar, der blev annonceret i sidste uge af National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, tildelt forskere, der udvikler ikke-invasive billedværktøjer til at studere den menneskelige hjerne

"Hvert projekt er baseret på nye begreber, repræsenterer den slags værktøjer, vi har brug for i fremtiden for ikke-invasiv billeddannelse for neurovidenskabssamfundet, "sagde Guoying Liu, direktør for MR -programmet ved NIBIB.