12 分钟 MRI 及早发现脑部疾病
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员报告说，一种使用临床 MRI 机器对大脑代谢活动进行成像的新技术可以为研究人员和临床医生提供对大脑功能和疾病的独特见解。 全脑的非侵入性、高分辨率代谢成像揭示了大脑区域之间代谢活动和神经递质水平的差异; 发现脑肿瘤的代谢改变; 并映射和表征多发性硬化症病变 -- 患者只需在 MRI 扫描仪中停留几分钟。 由电气和计算机工程教授、美国贝克曼先进科学技术研究所成员 Zhi-Pei Liang 领导。 I. 的研究中，该团队在《自然生物医学工程》杂志上报告了其发现。 “了解大脑、它是如何工作的以及当它受伤或生病时会出现什么问题被认为是我们这个时代最令人兴奋和最具挑战性的科学努力之一，”“梁说。 “在过去的四十年里，MRI 在解开大脑的奥秘方面发挥了重要作用。 我们的新技术为 MRI 的脑成像能力增加了另一个维度：脑代谢的可视化和与脑部疾病相关的代谢改变的检测。 常规 MRI 提供脑结构的高分辨率、详细成像。 功能性 MRI 通过检测血流和血氧水平的变化来绘制大脑活动，这两者密切相关与神经活动有关。 然而，它们无法提供有关大脑代谢活动的信息，而这对于了解功能和疾病很重要，该论文的第一作者、博士后研究员赵一博说。 “代谢和生理变化通常发生在传统 MRI 和 fMRI 图像上可见结构和功能异常之前，”赵说。 “因此，代谢成像可以导致脑部疾病的早期诊断和干预。” MRI 和 fMRI 技术都基于来自水分子的磁共振信号。 这项新技术测量来自大脑代谢物和神经递质以及水分子的信号，这种技术被称为磁共振波谱成像。 Zhao 说，这些 MRSI 图像可以为大脑功能和疾病过程提供重要的新见解，并可能提高检测和诊断脑疾病的灵敏度和特异性。 其他尝试MRSI 因捕获图像所需的时间长以及高水平的噪声掩盖了来自神经递质的信号而陷入困境。 新技术解决了这两个挑战。 “我们的技术通过将超快数据采集与基于物理的机器学习方法协同集成进行数据处理，克服了快速高分辨率代谢成像的几个长期存在的技术障碍，”Liang 说。 借助新的 MRSI 技术，伊利诺伊州团队削减了全脑扫描所需的时间为 12 分半钟。 研究人员在多个人群上测试了他们的 MRSI 技术。 在健康受试者中，研究人员发现并绘制了不同大脑区域的不同代谢和神经递质活动，这表明这种活动并不普遍。 在脑肿瘤患者中，研究人员发现不同级别的肿瘤存在代谢改变，例如胆碱和乳酸升高——即使肿瘤出现在临床 MRI 图像上相同。 研究人员报告说，在患有多发性硬化症的受试者中，该技术在临床 MRI 图像上可见变化之前长达 70 天检测到与神经炎症反应相关的分子变化和神经元活动降低。 研究人员预见了他们的技术在临床上广泛使用的潜力：Liang 说，通过跟踪随时间推移的代谢变化，临床医生可以评估神经系统疾病治疗的有效性。代谢信息还可用于根据患者独特的代谢特征为个体患者定制治疗。 “高分辨率全脑代谢成像具有巨大的临床潜力，”Liang 说，他的职业生涯始于已故伊利诺伊州教授 Paul Lauterbur 的实验室，他因开发 MRI 技术而获得诺贝尔奖。 “保罗设想了这种令人兴奋的可能性和一般的方法，但要实现他的快速梦想非常困难临床环境中的高分辨率代谢成像。 “随着医疗保健朝着个性化、预测性和精准医疗的方向发展，这种高速、高分辨率的技术可以提供及时有效的工具，以解决临床应用中对无创代谢成像的迫切未满足需求。” 这项工作得到了 Arnold 和 Mabel Beckman 基金会的支持。