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大庆西门子总代理商
产品时间:2020-11-23
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大脑与行为

 

正常的人脑是什么样子?从功能角度讲,这一点尚不明确。如果能够了解这一点,我们就有可能彻底改变心理疾病的诊断和治疗方式。美国的两组研究人员正尝试利用西门子的试验用磁共振成像设备,探知触发人类行为的大脑神经连接模式。

如同宇航员探索浩瀚无际的太空一样,来自美国和欧洲学府的多位科学家接手了一项任务,研究人体最复杂的部位之一——由1000亿个神经元和150万亿个突触组成的人类大脑。美国国立卫生研究院出资4000万美元,启动了一个名为“人类大脑联络图项目(HCP)”的科研项目,目标是探索大脑结构与功能之间的关系。“我们希望尽可能解密当今成像技术如何揭示人类大脑连线,以及大脑连线如何影响我们的行为以及不同个体之间的行为差异。”圣路易斯华盛顿大学医学院解剖学和神经生物学系主任兼爱迪生教授DavidVan Essen博士指出。

“启动该项目,源于这样一个假设:如果我们能了解大脑结构与功能之间的关系,我们便可揭示自闭症等疾病的成因,更加有效地治疗因中风等疾病引起的伤害。”Bruce R. Rosen博士表示。他是哈佛大学医学院放射学教授,现任哈佛大学医学院马萨诸塞州波士顿马丁斯生物医学成像中心主任。

借助西门子试验用3特斯拉磁共振扫描仪所提供的新的成像技术,研究人员揭密人类大脑中纤维状的脑白质结构。

该目标一旦实现,有望彻底改变心理疾病、神经退行性疾病以及大脑损伤的诊断和治疗现状,而要实现这一目标,研究人员必须完成两大任务:一是研究能够从功能和结构两方面以接近微米量级的精细度生成大脑三维结构图像的技术;二是在考虑健康大脑的巨大差异的情况下,总结出大脑的正常结构。可喜的是,西门子开发的两台试验用3特斯拉磁共振成像(MRI)扫描仪成功解决了技术难题,由此完成了*项任务。第二大任务成为圣路易斯华盛顿大学和明尼苏达大学医学院磁共振研究中心(CMRR)的主要研究课题之一。

其中一台扫描仪的梯度强度是临床用磁共振扫描仪的2.5倍,是专为明尼苏达大学医学院磁共振研究中心开发的,最近落户圣路易斯华盛顿大学(梯度用于进行空间编码)。另一台扫描仪的目标梯度强度最高达到临床用3特斯拉磁共振扫描仪的7.5倍,应波士顿马丁斯成像中心的要求,与加州大学洛杉矶分校合作设计。

“启动人类大脑联络图项目,是为了帮助我们解答有关人类大脑的基本问题,” 明尼苏达大学医学院磁共振研究中心主任KamilUgurbil教授坦言,“过去二十年来,磁共振技术不断取得进步突破,实现了功能性脑成像(fMRI)和扩散成像等技术,为开展这个项目创造了条件。不过硬件和图像采集方法还有待改进,目前我们正在着手解决这些问题。”

突破性技术。多年来,研究人员一直在探索人脑的神经元结构图。实现这一目标的关键在于成像技术,比如水分子在大脑中的各向异性扩散磁共振成像,以及的静息态功能磁共振成像。华盛顿大学和明尼苏达大学的合作研究团队采用的是静息态功能磁共振成像和高角分辨率扩散成像(HARDI,一种特殊的扩散成像法);MGH/UCLA合作研究团队采用的则是扩散光谱成像(DSI)技术。这是一种常见的扩散张量成像形式,由麻省总医院放射学教授兼马丁斯生物医学成像中心连接组学主任Van J. Wedeen博士于2005年率先提出。此项目的出发点是展现各MRI体素(一种三维像素)内线路的纤维状结构,辨别出交叉线路。

美国国立卫生研究院人类大脑联络图项目(图片来源:马丁斯生物医学成像中心)

扩散成像法的原理是,水分子在组织中移动,以此可测量氢核(质子)在射频脉冲的作用下,在不断变化的静态和动态磁场中生成的无线电信号。“这些水分子自然地沿轴突移动,轴突是连接脑细胞的白质纤维,从根本上说,扩散成像技术生成的图像复制了轴突的通路。”Wedeen解释并补充道,“如果把成百上千个体素串联在一起,就会了解神经束也就是白质通路的样貌。但重要的是,当两条通路交叉时,系统必须精准地将它们联合在一起,这一点扩散光谱成像做到了。借助此技术,我们可以看到充斥人脑的三维脑白质网格。”

然而,取得当前的图像清晰度并非易事,不仅需要大大提高磁共振敏感度,而且需要显著提高系统处理速度,以获取水分子的空间数据流,但问题在于市面上没有一台扫描仪能够同时做到这两点。波士顿研究团队得出的结论是,与先前提出的假设不同的是,提高神经通路的成像分辨率,并不一定要求场强必须高于主磁体的3特斯拉,而是要提高调制主磁体磁场的更小磁梯度线圈的场强。“梯度(线圈)是磁共振扫描仪的一部分,它编码水分子的空间特征,反映水分子的移动方向,”Rosen解释说。

梯度线圈场强越高,编码水分子扩散运动的速度就越快,相应会生成角度分辨率更高的图像,这是区分交叉纤维的关键因素。“这就好比一台相机,快门速度越快,图像越清晰。尽管我们没有直接拍摄轴突的图像,但实际上我们可以根据水分子的移动情况来推断轴突的图像。”Wedeen补充道。

不过,可能有人会问为什么水分子会沿着轴突通路运动?“答案十分简单,”马丁斯成像中心磁共振中心主任Lawrence L. Wald博士说,“因为轴突是细长的突起,在轴突内部,水分子自然会沿着轴突方向而非与轴突垂直的方向移动。此外,在测量磁共振信号的时间间隔内,水分子之间的距离大约接近于轴突的间隔距离,大约在10至20微米之间。因此,如果我们关注水分子的移动情况,便可了解轴突的排列方向。”

市面上大多数用于临床成像的3特斯拉磁共振扫描仪的梯度强度,为40-45毫特斯拉/米(mT/m),但Wedeen对灵长目动物进行的研究结果表明,可以利用更高的梯度强度来生成成人大脑布线图的清晰扩散图像。基于该研究结果,MGH/UCLA和明尼阿波利斯/圣路易斯的研究人员找到以Eva Eberlein为首的西门子磁共振设计团队,询问他们能否开发出梯度强度达到*的水平的磁共振扫描仪。“他们开发出两款样机,其梯度强度是现有扫描仪的2-8倍,这堪称一大工程突破,”Wald回忆道。当梯度强度提升至80 mT/m至300 mT/m时,电磁能的密度最高可提高56倍。

左图:人脑右半球视觉皮质中与“种子”区域(黑点)有关的功能连通性成像。红色和黄色区域与种子区域具有功能连通性。右图:控制身体活动的运动皮质中与种子区域有关的功能连通性成像

提高梯度强度同时带来了一个挑战。鉴于梯度强度更高的扫描仪可生成分辨率更高的图像,获取某一结构区域的图像,需要采集更多层的磁共振图像。分辨率提高一倍,将令扫描时间延长四倍以上。因此,新研发的技术*必须能够加快编码速度,同时缩短扫描时间。基于CMRR早前提出的理念,比如“多波段多层”成像,MGH研究人员开发出一种被称为“同时多层”成像的改良技术,该技术不仅可在同一时间采集多层磁共振图像,还可以在确保敏感度损失最低的情况下,让不同的图像层彼此分离。“该技术令成像速度提升了三倍,如果结合更高的梯度强度,实际成像速度会提升四倍,”Wald说,“总而言之,我们将平均扫描时间从大约一小时缩短至大约15分钟。”

建立大脑数据库。在人类大脑联络图项目中,哈佛大学-UCLA联合研究团队肩负的使命是开发一种新的扫描仪,突破当今磁共振扩散成像技术的极限。华盛顿大学/明尼苏达大学联合研究团队不仅需要改善数据采集方法,还需要通过大规模研究了解脑功能的连通性。“功能性成像法,尤其是静息态功能磁共振成像法,能提供有关功能连通性的重要信息,而不只是单纯地显示大脑的硬连线,是对扩散成像的重要补充,”华盛顿大学的DavidVan Essen博士说,他与KamilUgurbil教授同为联合研究团队的带头人。

自2008年以来,CMRR团队曾经利用西门子7特斯拉磁共振系统,在更高场强下开展高分辨率功能性成像研究工作,探索能缩短扫描时间的创新技术。如今,在人类大脑联络图项目中,他们转而对这些技术进行调整,改良成“多波段多层成像”技术配套用在定制的HCP 3特斯拉扫描仪中,成功将功能连通性的数据采集时间缩短了九倍。

克服了这些制约因素后,团队的下一目标是利用此技术扫描1200位有基因关联的个体。“项目的出发点是,”Ugurbil解释说,“获得*的出色数据质量,以建成脑连接模式的数据库,开发从数据库中挖掘相关数据的工具。”

此外,Van Essen-Ugurbil团队还将采纳明尼苏达大学研究团队率先提出的大胆做法,在超高磁场(7特斯拉)中扫描多位受试者。“对于静息态功能磁共振成像和解剖成像而言,采用7特斯拉磁场强度的效果更甚一筹,预期用在扩散成像中也同样会效果显著,”Ugurbil指出。

事实上,该项目侧重研究有密切基因关系的群体,将为“影像遗传学”这一新兴领域最终建成全新数据库奠定基础。研究人员希望通过探索图像信息与遗传信息之间的潜在关系,解密某些心理疾病的病因机理。“目前,已发布了一些与此相关的研究成果,譬如,有研究人员指出,自闭症患者的大脑回路异于常人,换言之,他们的大脑的功能连通性不及常人。”Van Essen说,“不过,我们正在努力将这一研究推向更高水平。正如人类基因组项目打开了进入生物信息学的大门一样,我们期望能够开启神经信息学这一全新专业,充分利用成像设备生成的广泛信息,探索未知的神经世界。”

如今,我们已朝着这一方向迈出了*步。在这个人集数据采集、数据分析、信息学和可视化处理于一体的项目中,Van Essen和Ugurbil从健康成人试点研究中获得了左右大脑半球图像,并以此创建了一个交互式综合数据集。这些图像均是采用静息态功能磁共振扫描仪采集的。在数据库中,它们为当研究某部位(以黑点表示)时,大脑部位与其他特定部位实际互动的平均图像。红色和黄色区域与种子位置密切相关。点击一下数据集中的某个条目,用户便可查看30GB的数据。“这是一款同类工具,”Van Essen说,“随着我们数据库不断扩充,其功能将日趋强大,不过这只是人类大脑联络图项目的序曲。”

作者:Arthur F. Pease

西门子在人类大脑联络图项目中扮演的角色

人类大脑联络图项目(HCP)为期五年,由美国国立卫生研究院(位于马里兰州贝塞斯达)出资开展,旨在揭秘大脑的远距离通信网络。这是人类首次大规模尝试收集和共享如此详尽的数据,以期借此解决有关人类脑皮层连接解剖和变异的基本问题。该项目的目标是构建个体体内和不同个体完整的结构和功能神经连接图。

HCP包含两项研究工作,其中之一为期五年,由位于明尼苏达州明尼阿波里斯的磁共振研究中心(CMRR)与位于密苏里州圣路易斯华盛顿大学合作承担;另一项为三年期项目,由麻省总医院(MGH)马丁斯成像中心与加州大学洛杉矶分校合作开展。

人脑的神经元连接错综复杂,至今仍无人破解。若想清晰呈现大脑的连接结构,高端成像设备必不可少。HCP广泛采用多种磁共振成像技术,包括静息态功能磁共振成像、扩散磁共振成像以及任务相关功能磁共振成像等。为了迎合HCP项目的需要,西门子专门设计开发两的试验用3特斯拉磁共振扫描仪。这两台扫描仪目前尚未投入商用。

CMRR使用的试验用3特斯拉磁共振扫描仪的梯度强度极高,范围介于70 mT/m至100 mT/m 之间,是世界的临床用3特斯拉磁共振扫描仪的2.5倍左右,因而极其适合用于要求较高分辨率的功能和扩散磁共振研究。MGH使用的试验用3特斯拉扫描仪是一台专为扩散磁共振成像设计的新型研究用扫描仪,其梯度强度高达300 mT/m ,相当于新临床用3特斯拉磁共振扫描仪的7.5倍,因而极其适合用于采集大脑的纤维追踪数据。因梯度强度显著提升,仅可用于研究用途,该扫描仪对极其微弱的扩散加权信号十分敏感,相比的专业临床用扫描仪而言,更适用于高分辨率脑功能磁共振研究。“人类大脑联络图计划旨在促进更好地了解人类大脑组织,能为该项目提供创新的磁共振成像技术和知识,是我们莫大的荣耀,”德国爱尔兰根西门子医疗磁共振集团*执行官Bernd Ohnesorge博士说,“我们将在现有研究成果的基础上,进一步发展磁共振技术,以将从项目中获取的经验知识转化为全新的磁共振技术,并适时用于患者的临床诊治。我们坚信,西门子与学术界的密切合作,将推进前沿医疗技术的研究,改善诊断和治疗水平,并最终提升人类的健康水平。”

开发神经成像数据的分析和可视化显示工具

为识别异常连接模式,西门子研究人员正在开发一种人脑的交互节点表示方式。在径向显示图中,内圈中每个齿状物均代表一个节点,弧线为节点之间的互连线。

若能更深入地了解重度抑郁症(MDD)等神经障碍和老年性痴呆症等神经退行性疾病,临床治疗将有望取得重大进展。认识人类大脑联络图项目产生的大脑连接(连线)图,可以加强对神经疾病的了解。由于联络图项目利用专业的磁共振成像扫描仪生成了*的大量数据,且大部分来自于“静息态”功能磁共振成像扫描(在受试者没有明确任务时对整个大脑进行成像)和扩散磁共振成像扫描,现阶段需要若干先进技术来处理、分析并显示这些数据信息。

为实现这一目标,位于新泽西州普林斯顿的西门子美国研究院的研究人员正在Mariappan S. Nadar博士的带领下,努力开发一套工具,以此利用NIH联络图项目研究成果开发出可用于临床实践的全新算法和软件。最近,他们利用这些工具分析了静息态功能磁共振成像,从中获得了区分正常对照组与ADHD(注意力缺失过动症)研究组的有利结果,相关算法采用的是静息态功能磁共振扫描仪采集的数据和非成像数据。“采用此算法的出发点是,”Mariappan解释说,“联络图项目生成了大量的信息数据,我们可从中了解到大脑哪些部位与另一大脑部位交互以及彼此交互的强度。在我们的研究中,每个大脑部位均采用一个网络节点表示,交互用边线表示。节点是表示互连大脑部位的数学抽象,边线表示连接各组大脑部位的连线。在我们按照这些连线建立数据库的过程中,我们发现,A部位通常与B部位相连。缺少这种连接或者这种连接微弱说明存在潜在病症,而存在‘通常不存在’的连接或者这种连接过强也说明存在潜在病症。”

为促进并加快了解和识别异常模式,团队成功开发了可视化显示交互三维网络的工具,从而令直观的二维空间工作和三维空间导航变为现实。在径向显示图(上图)中,梳齿状内圈中的每个齿状物均代表三维网络的一个节点,弧线为节点之间的互连线。外圈为节点簇层级。

 

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