新技术使大脑3D成像扫描可在0.5秒内完成

由物理学家和神经科学家组成的国际科研小姐在核磁共振成像研究领域取得重大的突破，使得大脑扫描速度在现有水平上提高七倍之多。研究论文发表在12月20日《公共科学图书馆·综合》（PLoS ONE）上。在论文中，一名伯克利加州大学的物理学家和来自明尼苏达大学及牛津大学的同僚们描述技术改进可以让全影3D脑扫描在不到半秒的时间内完成，而不是一般所需要的2到3秒。



大脑3D扫描图

首席作者物理学家大卫－范伯格（David Feinberg）是伯克利加州大学海伦·威尔斯神经系统科学研究所副教授，他说：“当第一次用该技术时，真是快得难以置信，就好像从螺旋桨飞机到喷气式飞机的转变。这是质的飞跃。”

对于神经科学，快速扫描尤为关键，它可以捕捉到大脑内的动态行为。

范伯格说：“当利用功能核磁共振成像（fMRI）对大脑进行研究时，填充满整个3D大脑图像大约需要30到60幅的图像重复数百次才能完成，就像组成电影的无数帧，而功能核磁共振成像是一部3D电影，通过多路技术可更高速的获取图像，一个高频帧在很短的时间里可获得更多的信息。”

圣路易斯华盛顿大学放射医学、神经学、神经生物学、生物工程学及心理学教授马克－雷切尔（Marc Raichle）博士补充说：“大脑是一个活动目标，因此对这一活动性目标取样越精确，对大脑动态活动了解就越透彻。”

范伯格说，超高速成像技术对整个现代核磁共振扫描领域内各研究机构的影响是直接而又深远的。此外，大幅度推动了神经成像的发展，该研究直接影响人类大脑联络图工程的进度。该项工程是美国国家卫生研究院（NIH）于去年创建，用功能核磁共振成像和结构核磁共振成像扫描1200个健康成年人，系统地收集描绘人类大脑联络图

华盛顿神经生物学家该项目的共同负责人大卫－范－埃森（David Van Essen） 博士说：“当时，我们向人类大脑联络图工程递送了我们的资助计划书，我们热切希望从研究对象身上得到更高质量的信息，因为这项研究成果可以帮助我们向实现 工程目标迈近一大步。这对于我们能够获得高质量的图像数据非常关键，从而我们可以精确地描绘出大脑电路图——如何建立以及它们怎么运作。”

核磁共振成像的工作原理是利用磁场和无线电波探测人体内水份子中的氢原子。因为在血液中的氢原子与在骨骼和组织中的氢原子反应有差别，这样计算机可以不用敏锐的X光就可重现人体内部的景象。

然而，大约在20年前，一种被称之为功能核磁共振成像的技术得到发展，它利用氧使得脑部区域的图像突显出来，从而可推断出有神经元活动，如思考。利用平面回波扫描成像(EPI)和功能核磁共振成像可清晰的分辨出含氧血集中在大脑运转区，而去氧血位于大脑的低活跃区。

当 用标准的核磁共振成像仪器或功能核磁共振成像仪器所产生的磁场覆盖大脑时产生轻微的变化，从而为氢原子在不同的区域提供相应不同的磁场。这些不同的磁场强 度使氢原子旋转产生不同的速率，因此，当一个无线电波脉冲集中在头部时，这些原子依赖所处的不同区域和特定的环境产生不同的反应。环绕在头部的磁线圈可检 测到那些吸收了无线电能量随后又释放这些能量的原子，得到的信号或“回波”被用来生成大脑图像。

当利用平面回波扫描成像时，单一的无线电波脉冲用来激发氢原了，在这些原子平静下来之前，磁场多次快速的翻转，可引起50到100的回波。这些多重的回波形成高分辨率大脑图像。

2002年，范伯格提出依次用两个脉冲，在相同的时间里获得两倍的图像数据。这就是所谓的同步再聚焦（SIR）平面回波扫描成像，这一技术被证实在功能核磁共振成像和神经元轴突因子足迹3D成像中非常有效，然而这次改进在提高扫描速度仍有局限，因为这样会使信号产生衰减并且图像分辨率也会下降。

另一个改进是用多级螺旋同时检测几个部分的多频带激发。这一技术最近被用于功能核磁共振成像技术中，但这项技术也有局限，主要因为多级螺旋检测需要相对宽松的空间并且不能区分相近空间的图像。

范伯格和几位资深的科学家将这些技术合理结合起来，使成像速度大幅度提高，在相同图像分辨率下，远远快于单独使用一种技术。在400毫秒内完成脑扫描使功能核磁共振成像技术接近脑电图描记器，从而可用来捕捉大脑中非常迅速的活动情况。这一技术对研究人类大脑自发性活动有着深远的意义。