大脑图像的清晰度提高了 6400 万倍

杜克大学

Brain images just got 64 million times sharper

超级强大的核磁共振成像与光片显微镜相结合，使研究人员能够绘制出小鼠整个大脑的高清线路图。资料来源：杜克大学活体显微镜中心

磁共振成像（MRI）是我们观察难以用 X 射线成像的软水组织的方法。不过，虽然核磁共振成像的分辨率足以发现脑肿瘤，但它需要更清晰才能观察到大脑内部的微观细节，从而揭示大脑的组织结构。

在杜克大学活体显微镜中心的领导下，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研究人员进行了长达数十年的技术攻关，提高了核磁共振成像的分辨率，从而获得了迄今为止最清晰的小鼠大脑图像。

恰逢第一台核磁共振成像仪问世 50 周年之际，研究人员生成的小鼠大脑扫描图像比典型的人类临床核磁共振成像要清晰得多，这在科学上相当于从像素化的 8 位图形到超逼真的 Chuck Close 绘画细节。

新图像的单个体素--把它想象成一个立方像素--尺寸仅为5微米。这比临床核磁共振成像体素小 6400 万倍。

虽然研究人员将磁铁聚焦在小鼠而非人类身上，但改进后的核磁共振成像为以破纪录的分辨率观察整个大脑的连通性提供了一种重要的新方法。研究人员说，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而发生变化。

杜克磁共振成像技术对整个小鼠大脑的成像分辨率是临床磁共振成像技术的6400万倍，为了解帕金森症、阿尔茨海默氏症和其他疾病带来了希望。图片来源：杜克大学体内显微镜中心

"这是一种真正能够发挥作用的东西。新论文的第一作者、杜克大学放射学、物理学和生物医学工程学 Charles E. Putman 大学特聘教授 G. Allan Johnson 博士说："我们可以开始用一种完全不同的方式来研究神经退行性疾病。

约翰逊的兴奋由来已久。该团队的新成果于4月17日发表在《美国国家科学院院刊》上，是杜克大学体内显微镜中心近40年研究的结晶。

在这四十年里，约翰逊、他的工程学研究生以及他在杜克大学和其他地方的许多合作者完善了许多要素，当所有这些要素结合在一起时，革命性的核磁共振成像分辨率就成为了可能。

其中的一些关键因素包括：一块极其强大的磁铁（大多数临床核磁共振成像依靠的是 1.5 到 3 特斯拉磁铁；约翰逊的团队使用的是 9.4 特斯拉磁铁）、一组特殊的梯度线圈（比临床核磁共振成像中的线圈强大 100 倍，有助于生成大脑图像）和一台高性能计算机（相当于近 800 台笔记本电脑），所有这些都在为一个大脑成像而运转。

超强的核磁共振成像与光片显微镜相结合，使研究人员能够绘制出小鼠整个大脑的高清线路图。图片来源：杜克大学活体显微镜中心

在约翰逊和他的团队 "把它扫描得一清二楚 "之后，他们将组织送去使用另一种叫做光片显微镜的技术进行成像。这种互补技术使他们能够标记大脑中的特定细胞群，如多巴胺分泌细胞，以观察帕金森病的进展。

然后，研究小组将能高度准确观察脑细胞的光片图片映射到原始核磁共振成像扫描图上，后者在解剖学上更为精确，能生动地观察整个大脑的细胞和回路。

有了这些综合的全脑数据图像，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。

其中一组核磁共振成像图像显示了随着小鼠年龄的增长，整个大脑的连通性是如何变化的，以及特定区域（如涉及记忆的子钟室）是如何比小鼠大脑的其他部分发生更大变化的。

另一组图像展示了彩虹色的大脑连接，凸显了阿尔茨海默病小鼠模型中神经网络的显著退化。

约翰逊和其他人希望，通过让核磁共振成像仪成为功率更高的显微镜，可以更好地了解亨廷顿氏病、阿尔茨海默氏症等人类疾病的小鼠模型。这样就能更好地了解类似疾病在人体内是如何发挥作用或出现问题的。

"约翰逊说："由美国国家老龄化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%。"那么，问题来了，它们的大脑在寿命延长期间是否仍然完好无损？它们还能做填字游戏吗？即使它们的寿命延长了 25%，它们还能做数独吗？我们现在有能力研究这个问题。当我们这样做的时候，我们就可以将其直接转化为人类的生存条件"。

(责任编辑：泉水)

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