大腦掃描技術(shù)完成突破 半秒內(nèi)3D成像

由物理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家組成的國(guó)際科研小姐在核磁共振成像研究領(lǐng)域取得重大的突破，使得大腦掃描速度在現(xiàn)有水平上提高七倍之多。研究論文發(fā)表在12月20日《公共科學(xué)圖書(shū)館·綜合》（PLoS ONE）上。在論文中，一名伯克利加州大學(xué)的物理學(xué)家和來(lái)自明尼蘇達(dá)大學(xué)及牛津大學(xué)的同僚們描述技術(shù)改進(jìn)可以讓全影3D腦掃描在不到半秒的時(shí)間內(nèi)完成，而不是一般所需要的2到3秒。

　　首席作者物理學(xué)家大衛(wèi)－范伯格（David Feinberg）是伯克利加州大學(xué)海倫·威爾斯神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究所副教授，他說(shuō)：“當(dāng)次用該技術(shù)時(shí)，真是快得難以置信，就好像從螺旋槳飛機(jī)到噴氣式飛機(jī)的轉(zhuǎn)變。這是質(zhì)的飛躍。”

　　對(duì)于神經(jīng)科學(xué)，快速掃描尤為關(guān)鍵，它可以捕捉到大腦內(nèi)的動(dòng)態(tài)行為。

　　范伯格說(shuō)：“當(dāng)利用功能核磁共振成像（fMRI）對(duì)大腦進(jìn)行研究時(shí)，填充滿整個(gè)3D大腦圖像大約需要30到60幅的圖像重復(fù)數(shù)百次才能完成，就像組成電影的無(wú)數(shù)幀，而功能核磁共振成像是一部3D電影，通過(guò)多路技術(shù)可更高速的獲取圖像，一個(gè)高頻幀在很短的時(shí)間里可獲得更多的信息。”

　　圣路易斯華盛頓大學(xué)放射醫(yī)學(xué)、神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、生物工程學(xué)及心理學(xué)教授馬克－雷切爾（Marc Raichle）博士補(bǔ)充說(shuō)：“大腦是一個(gè)活動(dòng)目標(biāo)，因此對(duì)這一活動(dòng)性目標(biāo)取樣越精確，對(duì)大腦動(dòng)態(tài)活動(dòng)了解就越透徹。”

　　范伯格說(shuō)，超高速成像技術(shù)對(duì)整個(gè)現(xiàn)代核磁共振掃描領(lǐng)域內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)的影響是直接而又深遠(yuǎn)的。此外，大幅度推動(dòng)了神經(jīng)成像的發(fā)展，該研究直接影響人類大腦聯(lián)絡(luò)圖工程的進(jìn)度。該項(xiàng)工程是美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）于去年創(chuàng)建，用功能核磁共振成像和結(jié)構(gòu)核磁共振成像掃描1200個(gè)健康成年人，系統(tǒng)地收集描繪人類大腦聯(lián)絡(luò)圖。

　　華盛頓神經(jīng)生物學(xué)家該項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人大衛(wèi)－范－埃森（David Van Essen）博士說(shuō)：“當(dāng)時(shí)，我們向人類大腦聯(lián)絡(luò)圖工程遞送了我們的資助計(jì)劃書(shū)，我們熱切希望從研究對(duì)象身上得到更高質(zhì)量的信息，因?yàn)檫@項(xiàng)研究成果可以幫助我們向?qū)崿F(xiàn)工程目標(biāo)邁近一大步。這對(duì)于我們能夠獲得高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，從而我們可以精確地描繪出大腦電路圖——如何建立以及它們?cè)趺催\(yùn)作。”

　　核磁共振成像的工作原理是利用磁場(chǎng)和無(wú)線電波探測(cè)人體內(nèi)水份子中的氫原子。因?yàn)樵谘褐械臍湓优c在骨骼和組織中的氫原子反應(yīng)有差別，這樣計(jì)算機(jī)可以不用敏銳的X光就可重現(xiàn)人體內(nèi)部的景象。

　　然而，大約在20年前，一種被稱之為功能核磁共振成像的技術(shù)得到發(fā)展，它利用氧使得腦部區(qū)域的圖像突顯出來(lái)，從而可推斷出有神經(jīng)元活動(dòng)，如思考。利用平面回波掃描成像(EPI)和功能核磁共振成像可清晰的分辨出含氧血集中在大腦運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，而去氧血位于大腦的低活躍區(qū)。

　　當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)的核磁共振成像儀器或功能核磁共振成像儀器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)覆蓋大腦時(shí)產(chǎn)生輕微的變化，從而為氫原子在不同的區(qū)域提供相應(yīng)不同的磁場(chǎng)。這些不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度使氫原子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同的速率，因此，當(dāng)一個(gè)無(wú)線電波脈沖集中在頭部時(shí)，這些原子依賴所處的不同區(qū)域和特定的環(huán)境產(chǎn)生不同的反應(yīng)。環(huán)繞在頭部的磁線圈可檢測(cè)到那些吸收了無(wú)線電能量隨后又釋放這些能量的原子，得到的信號(hào)或“回波”被用來(lái)生成大腦圖像。

　　當(dāng)利用平面回波掃描成像時(shí)，單一的無(wú)線電波脈沖用來(lái)激發(fā)氫原了，在這些原子平靜下來(lái)之前，磁場(chǎng)多次快速的翻轉(zhuǎn)，可引起50到100的回波。這些多重的回波形成高分辨率大腦圖像。

　　2002年，范伯格提出依次用兩個(gè)脈沖，在相同的時(shí)間里獲得兩倍的圖像數(shù)據(jù)。這就是所謂的同步再聚焦（SIR）平面回波掃描成像，這一技術(shù)被證實(shí)在功能核磁共振成像和神經(jīng)元軸突因子足跡3D成像中非常有效，然而這次改進(jìn)在提高掃描速度仍有局限，因?yàn)檫@樣會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生衰減并且圖像分辨率也會(huì)下降。

　　另一個(gè)改進(jìn)是用多級(jí)螺旋同時(shí)檢測(cè)幾個(gè)部分的多頻帶激發(fā)。這一技術(shù)近被用于功能核磁共振成像技術(shù)中，但這項(xiàng)技術(shù)也有局限，主要因?yàn)槎嗉?jí)螺旋檢測(cè)需要相對(duì)寬松的空間并且不能區(qū)分相近空間的圖像。

　　范伯格和幾位的科學(xué)家將這些技術(shù)合理結(jié)合起來(lái)，使成像速度大幅度提高，在相同圖像分辨率下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于單獨(dú)使用一種技術(shù)。在400毫秒內(nèi)完成腦掃描使功能核磁共振成像技術(shù)接近腦電圖描記器，從而可用來(lái)捕捉大腦中非常迅速的活動(dòng)情況。這一技術(shù)對(duì)研究人類大腦自發(fā)性活動(dòng)有著深遠(yuǎn)的意義。