新的核磁共振技术接近实时地捕捉大脑的变化

2019年8月19日——一个国际研究小组的研究人员开发了一种新的磁共振成像(MRI)技术,可以捕获一个大脑的形象想通过测量组织刚度的变化。结果表明,大脑功能可以追踪100毫秒的时间尺度比先前的方法- 60倍。这项技术能够揭示在脑部疾病改变神经元的活动。

人类的大脑对刺激反应几乎立即,但非侵入性成像技术没能跟上大脑。目前,几种非侵入性脑成像方法测量脑功能,但它们都有局限性。最常见,临床医生和研究人员使用功能性磁共振成像(fMRI)来测量大脑活动通过血氧水平的波动。然而,很多重要的大脑活动信息失去使用功能磁共振成像,因为血氧水平大约需要6秒回复刺激。

自1990年代中期以来,研究人员已经能够生成的地图组织刚度使用核磁共振扫描仪,和一个叫磁共振弹性成像的非侵入性技术(绝笔)。组织刚度不能直接测量的,所以研究人员使用绝笔测量机械振动的速度穿过组织。通过硬组织振动移动得更快,而振动穿透柔软的组织更慢;因此,组织可以确定刚度。绝笔是最常用来检测肝组织的硬化,但最近被应用到其他组织像大脑。

“这项研究有可能彻底改变科学家研究脑部疾病的方式,”克里希纳Kandarpa说,医学博士博士,主任研究科学和战略方向国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB),提供部分支持这项研究。“开发一种新的核磁共振成像技术在很大程度上依赖于物理和工程原则,这是NIBIB调查员excel的地区。结果很难达到没有专家的协作的团队。”

山姆Patz博士,哈佛医学院放射学教授和物理学家布莱根妇女医院的放射学、解释说,他最初计划是使用绝笔结合另一个核磁共振方法研究肺部疤痕组织。“绝笔我没有经验,所以我转向我的同事的先驱绝笔,拉尔夫Sinkus博士”Patz说

.Sinkus,伦敦国王学院生物医学工程教授和共同通讯作者的科学进步刊物,帮助Patz设置绝笔肺部成像实验在他波士顿实验室。随着团队正在启动肺的实验中,他们遇到了许多并发症和决定更容易从老鼠大脑开始。由于他们的激动人心的结果,小组继续研究老鼠的大脑。

Patz和Sinkus兴高采烈的与第一绝笔老鼠大脑的图像——他们是优秀的质量。“我们观察到听觉皮层,鼠标使用听,比其他部分皮质有点硬。我们寻找一个答案,但是空手上来,”Patz说。“我们推测,可能是听觉皮层血流量增加了由于磁共振扫描仪的噪音。的想法是刺激时听觉皮层毛细血管受到更高的压力;类似于当你打开一个花园软管,软管越来越硬。”

Patz跟进实验证实的假说通过阻断一个或两个老鼠的耳朵运河与凝胶静音磁共振扫描仪的噪音。“结果是戏剧性的,”Patz喊道。“很明显,去除刺激导致柔软的卫生纸,而刚度的变化是真实的。”

起初,研究人员花了20分钟来获得一个绝笔扫描。有关团队长时间刺激会导致降低反应长时间或反复接触后,这种现象称为习惯化。

Patz和Sinkus一起工作来创建一个新的磁共振成像协议减少需要长时间的刺激,避免习惯化。新方法开关之间的“上”和“关闭”刺激状态,是由电子脉冲传递到老鼠的后肢每9秒。两个老鼠大脑的图像,对应于每个刺激生成状态和减去显示组织刚度的变化。9秒允许足够的时间激活的大脑区域的血流量作出回应。

首先,团队认为组织刚度的变化是由于血液供应的变化,传统功能磁共振成像检测的另一种表现。所以,他们决定在两个刺激状态之间进行切换比血液系统可以反应快得多。值得注意的是,数据表现出相同的健壮的变化刚度在一秒钟的刺激之后,研究人员得出结论,他们所观察到的变化在小鼠与血液流动。

这个结果之后,同事们敦促人员尝试更快的速度。公布的结果显示约10%的刚度变化即使在刺激国家不同每100毫秒。这些结果最接近实时核磁共振脑成像研究人员取得了迄今为止。

现在,集团正在进行类似的研究在健康人类大脑建立一个健壮的协议。人类大脑的初步结果显示改变组织刚度在倍短24毫秒。

一旦技术已被翻译为人类使用,两人将能够研究脑部疾病。这项技术可以提供新的诊断方法和理解大脑活动的变化的疾病,如阿尔茨海默氏症、痴呆、癫痫或多发性硬化症。

此外,该技术也可以应用于癌症患者大脑瘤。有时,一个大肿瘤质量会阻塞血液流动,传统的功能磁共振成像检测,所以不可能获得良好形象。自从新方法并不认为依靠血液流动,他们可以获得更好的图像在这些病人和帮助治疗策略。

更多信息:www.advances.sciencemag.org

参考

Patz年代。Fovargue D。Schregel K。,等。成像局部神经元活动通过生物力学快时间尺度。科学的进步,2019年4月17日在线发表。https://doi.org/10.1126/sciadv.aav3816