大脑图像清晰了6400万倍

磁共振成像（MRI）是我们将 X 射线难以成像的柔软、水样组织可视化的方法。但是，虽然 MRI 提供了足够好的分辨率来发现脑肿瘤，但它还需要更清晰的图像来显示大脑中揭示其组织的微观细节。

杜克大学

4月17日消息

在由杜克大学（Duke University）活体显微镜中心和田纳西大学（University of Tennessee）健康科学中心、宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）、匹兹堡大学（University of Pittsburgh）和印第安纳大学（Indiana University）的同事们领导的长达数十年的技术杰作中，研究人员们接受了挑战，改进了 MRI 的分辨率，从而获得了有史以来最清晰的小鼠大脑图像。该团队的新研究成果近日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）上，是杜克大学活体显微镜中心（Center for In Vivo Microscopy，CIVM）近 40 年研究的结晶。

研究于2023年4月17日发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（最新影响因子：12.779）杂志上

在第一次磁共振成像 50 周年[2]之际，研究人员对小鼠大脑进行了扫描，扫描结果比典型的人类临床磁共振成像要清晰得多，这相当于把 8 位像素的图像变成了 Chuck Close （美国画家）油画般的超逼真细节图像。

第一次磁共振成像研究于1973年3月16日发表在《Nature》（最新影响因子：69.504）杂志上

新图像的单个体素（可把它想象成一个立方像素）只有 5 微米。它比临床 MRI 的体素小 6400 万倍。

尽管研究人员将他们的磁体集中在小鼠而不是人类身上，但改进的磁共振成像提供了一种重要的新方法，以破纪录的分辨率来可视化整个大脑的连接。研究人员表示，从小鼠成像中获得的新见解反过来将有助于更好地了解人类的疾病，例如大脑如何随着年龄、饮食甚至阿尔茨海默病等神经退行性疾病而变化。

“这是真正能够实现的事情。我们可以开始以一种完全不同的方式来看待神经退行性疾病，” G. Allan Johnson 博士说，他是这篇新论文的主要作者，也是杜克大学 Charles E. Putman 放射学的大学特聘教授、物理学和生物医学工程学教授。

在过去的四十年里，Johnson、他的生物医学工程学研究生以及他在杜克大学和远方的许多合作者改进了许多元素，当所有这些元素结合在一起时，使革命性的 MRI 分辨率成为可能。

其中一些关键成分包括一个强大到令人难以置信的磁体（大多数临床 MRI 依赖于 1.5T 到 3T，Johnson 的团队使用 9.4T 的磁体），这是一组特殊的梯度线圈，比临床 MRI 中的线圈强 100 倍，有助于生成大脑图像，以及一台相当于 800 台笔记本电脑的高性能计算机。

在 Johnson 和他的团队“扫描出它的光”之后，他们将组织发送出去，使用一种称为光片显微镜的不同技术进行成像。这种互补的技术使他们能够标记大脑中特定的细胞群，例如多巴胺释放细胞，以观察帕金森病的进展。

然后，研究小组将能高度准确地观察脑细胞的光片图像映射到最初的 MRI 扫描上，后者在解剖学上更加精确，并提供了整个大脑中细胞和回路的生动视图。

有了这些结合的全脑数据图像，研究人员现在可以以前所未有的方式窥视大脑的微观奥秘。

一组磁共振图像显示了随着小鼠年龄的增长，大脑的连接发生了怎样的变化，以及特定的区域，如涉及记忆的下托（海马区），如何比小鼠大脑的其他部分发生更多的变化。

另一组图片展示了一组彩虹色的大脑连接，突出了阿尔茨海默病小鼠模型中神经网络的显著恶化。

希望通过使磁共振成像成为更高倍的显微镜，Johnson 和其他人可以更好地了解人类疾病的小鼠模型，如亨廷顿舞蹈病、阿尔茨海默病和其他疾病。这应该会让我们更好地理解类似的东西是如何在人体内发挥作用或出错的。

“由 NIA 支持的研究发现，适度的饮食和药物干预可以使动物寿命延长 25%。” Johnson 说，“所以，问题是，在延长的寿命中，他们的大脑仍然完好无损吗？他们还会玩填字游戏吗？即使他们的寿命延长了 25% 他们还能玩数独吗？我们现在有能力去研究它。当我们这样做时，我们可以直接将其转化为人类的疾病去研究。”

创立于1838年的杜克大学

参考文献

Source：Duke University

Brain images just got 64 million times sharper

References：

[1].“Merged Magnetic Resonance And Light Sheet Microscopy Of The Whole Mouse Brain,” G. Allan Johnson, Yuqi Tian, David G. Ashbrook, Gary P. Cofer, James J. Cook, James C. Gee, Adam Hall, Kathryn Hornburg, Yi Qi, Fang-Cheng Yeh, Nian Wang, Leonard E. White, Robert W. Williams. Proceedings of the National Academy of Sciences, April 17, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2218617120

[2]. LAUTERBUR, P. Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance. Nature 242, 190–191 (1973). https://doi.org/10.1038/242190a0

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