大脑图像清晰了6400万倍

磁共振成像(MRI) 是我们可视化 X 射线难以成像的柔软、水样组织的方式。但是，虽然 MRI 提供了足够好的分辨率来发现脑肿瘤，但它需要更清晰地显示大脑中揭示其组织的微观细节。

在杜克大学活体显微镜中心与田纳西大学健康科学中心、宾夕法尼亚大学、匹兹堡大学和印第安纳大学的同事领导的长达数十年的技术巡回演出中，研究人员接受了挑战并提高了 MRI 的分辨率导致有史以来捕捉到的老鼠大脑最清晰的图像。

恰逢第一次 MRI 50周年，研究人员对小鼠大脑进行了扫描，比典型的人类临床 MRI 清晰得多，科学上相当于从像素化的 8 位图形到超现实细节查克·克洛斯 (Chuck Close) 的画作。

新图像的单个体素——将其视为立方体像素——尺寸仅为 5 微米。这比临床 MRI 体素小 6400 万倍。

尽管研究人员将他们的磁铁集中在老鼠身上而不是人类身上，但经过改进的 MRI 提供了一种重要的新方法，可以以破纪录的分辨率可视化整个大脑的连通性。研究人员表示，来自小鼠成像的新见解将反过来导致更好地了解人类的状况，例如大脑如何随着年龄、饮食甚至阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的变化而变化。

“这是真正能够实现的东西。我们可以开始以一种完全不同的方式来研究神经退行性疾病，”新论文的第一作者、杜克大学查尔斯·E·普特曼大学放射学、物理学和生物医学工程杰出教授 G. Allan Johnson 博士说。 .

约翰逊的兴奋由来已久。该团队的新工作于 4 月 17 日发表在国家科学院院刊上，是杜克体内显微镜中心近 40 年研究的结晶。

四十年来，约翰逊、他的工程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，当它们结合在一起时，使革命性的 MRI 分辨率成为可能。

一些关键成分包括一个非常强大的磁铁(大多数临床 MRI 依赖 1.5 到 3 特斯拉的磁铁;约翰逊的团队使用 9.4 特斯拉的磁铁)，一组比临床 MRI 强 100 倍的特殊梯度线圈和帮助生成大脑图像，一台高性能计算机相当于近 800 台笔记本电脑，所有这些都在为一个大脑成像。

在 Johnson 和他的团队“扫描出它的日光”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，该团队将光片图片映射到原始 MRI 扫描上，这些图片可以高度准确地观察脑细胞，这在解剖学上更加准确，并提供了整个大脑中细胞和回路的生动视图。

通过这种组合的全脑数据图像，研究人员现在可以以前所未有的方式窥探大脑的微观奥秘。

一组 MRI 图像显示了全脑连接如何随着小鼠年龄的增长而变化，以及特定区域(如记忆相关的下托)如何比小鼠大脑的其他部分发生更大的变化。

另一组图像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着恶化。

希望通过使 MRI 成为更高功率的显微镜，约翰逊和其他人可以更好地理解人类疾病的小鼠模型，例如亨廷顿氏病、阿尔茨海默氏症等。这应该会导致更好地理解相似的事物是如何在人们身上发挥作用或出错的。

“由国家衰老研究所支持的研究发现，适度的饮食和药物干预可以使动物的寿命延长 25%，”约翰逊说。“所以，问题是，在延长的寿命期间，他们的大脑是否仍然完好无损?他们还能做填字游戏吗?即使他们的寿命延长了 25%，他们还能玩数独游戏吗?我们现在有能力审视它。当我们这样做时，我们可以将其直接转化为人类状况。”