研究人員開發(fā)了一系列技術(shù)改進(jìn)，極大地提高了功能磁共振成像機(jī)（fMRI，functional magnetic resonance imaging）的空間分辨率。這些改進(jìn)使fMRI能夠?qū)γ總?cè)不到半毫米的體素（像素的3D等效物）進(jìn)行成像。在這樣做的過程中，它們已經(jīng)通過了相對(duì)于人腦結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要閾值，以大致匹配神經(jīng)元功能簇的規(guī)模。

據(jù)悉，NexGen 7T設(shè)備記錄的細(xì)節(jié)比當(dāng)前研究人員使用的7T MRI多出10倍，比當(dāng)前大多數(shù)醫(yī)院使用的主流3T掃描儀多出至少50倍以上。更精細(xì)的尺度可能對(duì)許多研究問題有用。例如，更高分辨率的圖像可以提供關(guān)于一些大腦區(qū)域的廣泛功能組織和其他區(qū)域不同層神經(jīng)元活動(dòng)的答案。

荷蘭斯賓諾莎神經(jīng)成像中心主任、神經(jīng)科學(xué)家Serge Dumoulin表示，新掃描儀邁出了“令人興奮的一步”，他沒有參與開發(fā)。

包括西門子工程師在內(nèi)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)于11月27日在《自然方法》雜志（https://www.nature.com/articles/s41592-023-02068-7）上描述了這種新型掃描儀。這項(xiàng)工作的部分資金來自加州大學(xué)伯克利分校和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）的BRAIN Initiative（https://braininitiative.nih.gov/）。

顧名思義，7T MRI掃描儀可以產(chǎn)生7特斯拉的強(qiáng)大磁場(chǎng)。NexGen機(jī)器保留了主磁體，并取代了大多數(shù)其他主要部件。研究人員沒有強(qiáng)調(diào)任何一個(gè)組件，而是說，多種硬件改進(jìn)有助于提高新掃描儀的分辨率。

“我們知道，如果我們提高主要系統(tǒng)的性能，我們就會(huì)得到累積的改進(jìn)，每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)影響不同的重要參數(shù)，”合著者、加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)科學(xué)家、名為Advanced MRI Technologies的公司的David Feinberg如此表示。

任何fMRI掃描儀的工作原理都是產(chǎn)生磁場(chǎng)，影響大腦中分子的方向。一旦一個(gè)磁場(chǎng)被設(shè)置為可預(yù)測(cè)的模式，就可以通過施加第二磁場(chǎng)并快速振蕩方向來區(qū)分組織的密度或類型。研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)，使用血流量或氧氣水平作為大腦活動(dòng)的指標(biāo)。

NexGen 7T掃描儀”的設(shè)計(jì)采用大幅改進(jìn)的梯度線圈和更大的接收器陣列線圈（用于檢測(cè)大腦信號(hào)），同時(shí)保持在人體神經(jīng)元刺激閾值以下。掃描儀用128通道接收器系統(tǒng)取代了標(biāo)準(zhǔn)的32通道，能在皮層以更高的信噪比實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)采集。這些變化帶來了與數(shù)據(jù)采集、傳輸和編碼相關(guān)的新挑戰(zhàn)。

“當(dāng)你有128個(gè)接收器時(shí)，數(shù)據(jù)大小會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，”合著者、加州大學(xué)舊金山分校的放射科醫(yī)生An T.Vu說，“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算資源需要迎頭趕上。

總體效果是空間分辨率是廣泛使用的fMRI的100多倍，其數(shù)量級(jí)超出了其他7T fMRI的細(xì)節(jié)。在某些情況下，體素大小已從約1微升（立方毫米）的體積縮小到小于0.1微升，與沙子的粗顆粒相當(dāng)。在大腦及其細(xì)胞的尺度上，掃描儀仍處于中等分辨率區(qū)域。

“We knew that if we improved the performance of major systems, we would get cumulative improvements, and each subsystem affected a different important parameter.”

—DAVID FEINBERG, UC BERKELEY

Dumoulin說，但如果分辨率更高，低于微升，神經(jīng)科學(xué)家應(yīng)該詳細(xì)了解大腦皮層（大腦的葉形上部區(qū)域）神經(jīng)元組的功能組織，尤其是分層或列狀。它還可以幫助揭示其他大腦區(qū)域的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，如腦干和小腦，這些區(qū)域“通常超出了傳統(tǒng)神經(jīng)成像的視野”。

與更強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)性MRI機(jī)器相比，該團(tuán)隊(duì)選擇使用7T MRI掃描儀，部分原因是為了在技術(shù)要求和可用性之間取得平衡。更強(qiáng)的磁場(chǎng)可以增加高清晰度圖像的可能性，但也會(huì)增加射頻加熱對(duì)掃描儀內(nèi)人員的潛在危險(xiǎn)。因此，盡管到目前為止（加州大學(xué)伯克利分校）只建造了一臺(tái)NexGen掃描儀，但理論上，全球100臺(tái)左右可運(yùn)行的7T MRI掃描儀中的任何一臺(tái)都可以改裝為相同的規(guī)格。

更高的分辨率可能在fMRI之外的其他MRI研究應(yīng)用中有用，例如，與功能連接和大腦代謝有關(guān)。研究人員還考慮到了最終的醫(yī)學(xué)用途。Feinberg說：“它是為基礎(chǔ)研究而設(shè)計(jì)的，一旦發(fā)現(xiàn)前景和有用的東西，我們就可以立即將其轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)驗(yàn)。”