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麻省總醫(yī)院出爐迄今最完整人類大腦三維圖像 數(shù)據(jù)集超過(guò)8TB

hl5C_deeptechch ? 來(lái)源:yxw ? 2019-07-11 11:16 ? 次閱讀

近日,麻省總醫(yī)院(MGH)的研究人員通過(guò)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(guò)如此完整的大腦,這絕對(duì)是史無(wú)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(lái)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(wú)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(lái)。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(wú)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(wèn)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(wú)線電波穿透人體。

不過(guò),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(wèn)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(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)室里的 21.1T 核磁共振設(shè)備,不過(guò),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(wú)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(guò),這些超級(jí)設(shè)備,每一臺(tái)都價(jià)值數(shù)千萬(wàn)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(guò) 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(zhǎng)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(guó)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(lái)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(wèn)題,包括活人無(wú)法忍受長(zhǎng)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(lái)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(guò) 100 小時(shí)(每個(gè)翻轉(zhuǎn)角約 25 小時(shí)),生成一個(gè)超過(guò) 8TB 的數(shù)據(jù)集(每個(gè)翻轉(zhuǎn)角度約 2TB),然后通過(guò)專門的計(jì)算工具來(lái)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。

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原文標(biāo)題:麻省總醫(yī)院出爐迄今最完整人類大腦三維圖像,數(shù)據(jù)集超過(guò)8TB

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