近日，麻省總醫(yī)院（MGH）的研究人員通過一臺(tái)超級(jí)7T核磁共振掃描儀（MRI），對(duì)一名死于病毒性肺炎的58歲女性大腦進(jìn)行近5天的掃描，獲得了迄今為止最為詳細(xì)的完整人類大腦三維圖像。

研究人員對(duì)完整靜止大腦標(biāo)本進(jìn)行 100 多個(gè)小時(shí) 7T（特斯拉，磁感應(yīng)強(qiáng)度單位）強(qiáng)度的核磁共振掃描，才獲得了這些高分辨率圖像，展現(xiàn)了包括杏仁核在內(nèi)的大腦結(jié)構(gòu)的生動(dòng)細(xì)節(jié)，為科學(xué)家們更深入地理解與創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙等疾病相關(guān)的解剖學(xué)細(xì)微變化提供了幫助。

研究人員表示，這些數(shù)據(jù)集提供了一個(gè)前所未有的三維人類大腦神經(jīng)解剖學(xué)視圖。為了優(yōu)化該資源的效用，研究人員將數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)立體定位空間，并將完整大腦圖像的相關(guān)視頻以及底層數(shù)據(jù)集公開發(fā)布，以促進(jìn)更多研究人員對(duì)人類大腦解剖在健康和疾病方面的理解，以及在教育和臨床中的應(yīng)用。相關(guān)成果于 5 月 31 日在 bioRxiv.org 上以預(yù)印本的形式發(fā)表。

“我們從未見過如此完整的大腦，這絕對(duì)是史無前例的。”沒有參與此項(xiàng)研究的西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院電氣工程師 Priti Balchandani 評(píng)價(jià)道。

超級(jí)核磁共振掃描儀

以人體檢查為例，先來了解一下核磁共振成像的原理。

將人體置于特殊的磁場(chǎng)中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號(hào)，并將吸收的能量釋放出來。體外的接收器可以監(jiān)測(cè)這些能量，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理獲得圖像，就形成了核磁共振。

核磁共振成像所獲得的圖像非常清晰精細(xì)，同時(shí)，核磁共振也不需要注射造影劑，對(duì)人體無電離輻射。除此之外，核磁共振還可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像。

核磁共振掃描儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，獲得的圖像分辨率越高，但被觀察組織的溫度也會(huì)升高。上世紀(jì) 70 年代中期，第一臺(tái)應(yīng)用于人體的核磁共振掃描儀問世，當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家認(rèn)為 0.5T 將是核磁共振的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度（相比之下，地球的磁場(chǎng)只有0.00005T），因?yàn)樗麄冋J(rèn)為活體組織的離子導(dǎo)電性將阻止無線電波穿透人體。

不過，到了上世紀(jì) 80 年代，就出現(xiàn)了臨床應(yīng)用的 1.5T 核磁共振掃描儀，如今，大部分醫(yī)院使用核磁共振掃描儀磁場(chǎng)強(qiáng)度為 1.5T 或 3T 。

1999 年，第一臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)高達(dá) 7T 的用于科研的核磁共振掃描儀問世，之后又有很多高強(qiáng)度 MRI 陸續(xù)在全球幾十家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)裝機(jī)，目前，世界上最強(qiáng)的磁共振儀是美國國家強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)室里的 21.1T 核磁共振設(shè)備，不過，這個(gè)最強(qiáng)設(shè)備內(nèi)部空間直徑只有 10.5 厘米，因此無法用于人體研究。

7T 及更強(qiáng)的核磁共振掃描儀在進(jìn)行腦成像時(shí)，分辨率可達(dá)到 0.5 毫米以下，這足以分辨人體大腦皮質(zhì)區(qū)里的功能單位，甚至可以讓我們有機(jī)會(huì)了解活體大腦神經(jīng)元細(xì)胞之間的信息流動(dòng)情況，為非侵入的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)于磁共振成像的發(fā)現(xiàn)也于 2003 年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

不過，這些超級(jí)設(shè)備，每一臺(tái)都價(jià)值數(shù)千萬美元甚至更高，建造和組裝這么一臺(tái)高場(chǎng)強(qiáng)的核磁共振設(shè)備也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，之前幾家機(jī)構(gòu)光是準(zhǔn)備使用這種核磁共振掃描儀做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，就花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間。在一臺(tái)超過 10T 的核磁共振掃描儀中進(jìn)行人體掃描成像，相當(dāng)于在一個(gè)四米長的管狀機(jī)器中，周圍被 110 噸的磁體和 600 噸的鐵屏蔽層環(huán)繞。

2017 年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)了首臺(tái)應(yīng)用于臨床成像的7T核磁共振掃描儀，這也標(biāo)志著 7T 核磁共振成像設(shè)備不再僅應(yīng)用于科研目的，其巨大的臨床應(yīng)用潛力將改變神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病、帕金森病等疾病的發(fā)病機(jī)理、早期診斷、治療方案確定以及治療效果評(píng)估上，并在神經(jīng)、血管、腫瘤、骨關(guān)節(jié)等多個(gè)方面帶來全新的突破性進(jìn)展。

史上最詳細(xì)大腦圖像

想要使用 7T 及更強(qiáng)的核磁共振掃描儀診斷和研究大腦疾病，還面臨著一些棘手的問題，包括活人無法忍受長時(shí)間的核磁共振掃描，以及活人大腦的不自覺活動(dòng)。比如一個(gè)人動(dòng)動(dòng)腳趾頭，大腦也會(huì)跟著動(dòng)，甚至那些來自呼吸和血液的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)造成大腦圖像模糊。

為了獲得一份完整且詳細(xì)的大腦三維圖像，波士頓麻省總醫(yī)院及其它地方的研究人員，將目標(biāo)鎖定在一名死于病毒性肺炎的 58 歲女性大腦標(biāo)本，其大腦重達(dá) 1210克（正常范圍 1200 至 1500 克），死后 14 小時(shí)一直固定在 10％ 的福爾馬林中。

而且這個(gè)來自捐獻(xiàn)的大腦樣本被認(rèn)為是健康的，因?yàn)樵撆詻]有神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史，死于非神經(jīng)病因。

在掃描開始之前，大腦標(biāo)本已經(jīng)在固定劑中保持了 35 個(gè)月，之后研究人員將大腦標(biāo)本放入一個(gè)定制的球形聚氨酯盒子，以讓大腦保持靜止并讓干擾的氣泡逸出。

然后，牢固包裹的大腦進(jìn)入一臺(tái)7T超強(qiáng)核磁共振掃描儀中，進(jìn)行了長達(dá)近 5 天的掃描成像，獲得了體外完整人腦標(biāo)本前所未有的 100 微米分辨率空間圖像。

研究人員使用不同的翻轉(zhuǎn)角（FA15°、FA20°、FA25°、FA30°）來生成多個(gè)合成體，每個(gè)合成體提供了不同的組織對(duì)比度。掃描的執(zhí)行時(shí)間超過 100 小時(shí)（每個(gè)翻轉(zhuǎn)角約 25 小時(shí)），生成一個(gè)超過 8TB 的數(shù)據(jù)集（每個(gè)翻轉(zhuǎn)角度約 2TB），然后通過專門的計(jì)算工具來進(jìn)行離線 MRI 重建和合成體創(chuàng)建。

研究人員表示，在尸檢標(biāo)本中進(jìn)一步推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)“讓我們知道了什么是可能的”。這些詳細(xì)的大腦圖像有助于增進(jìn)研究人員對(duì)人類大腦解剖在健康和疾病方面的理解，幫助找出難以發(fā)現(xiàn)的大腦異常，包括昏迷和抑郁癥等精神疾病。