來源：轉化醫學

選稿：Brainnews| Simon

2017年12月在美國明尼阿波里斯市一個寒冷的早晨，一名男性走進了一個研究中心（該研究中心此前只有豬進去過），隨後他冒險進入了全球最強的一臺核磁共振成像儀中來對其全身進行掃描。

首先他換上了醫院的長袍，同時研究人員確保其身上沒有任何金屬物質，包括戒指、金屬植入物或者心臟起搏器等，任何金屬可能都會被強大的10.5特斯拉核磁共振成像儀所撕裂，這臺全球最強的核磁共振成像儀的質量約是波音737飛機的3倍，而且其磁場強度比當今臨牀使用的高強成像儀要高出50%；就在幾天前，這名男子通過了一系列檢查，包括對其平衡感的基準測試，以確保能夠恰當地評估其因接觸磁鐵而產生的眩暈程度。

在明尼蘇達大學的磁共振研究中心，這名男子躺進了4米長的檢查倉中，周圍被110噸磁鐵和600噸鐵所屏蔽隔離，隨後研究人員對該名男子的臀部進行了長達1小時的成像，對其薄軟骨組織的成像質量將會展示這臺核磁共振成像儀的分辨率。

圖片來源：Centre for Advanced Imaging, The University o

研究中心的主任Kamil Ugurbil等待這一天的到來已經很多年了，由於填充磁鐵的液氦供應不足，因此構建這個強大的成像儀面臨了長時間的延遲，2013年這臺機器終於被交付使用了，在研究者Ugurbil及其同事將首位患者送入檢查倉之前，他們克服了大量困難，並且花費了將近4年的時間進行相應的動物試驗並調節磁場強度，即便如此，研究人員對該成像儀的最終檢測結果也並沒有太大把握，但檢測結果表明，研究人員漫長的等待是非常有意義的，當顯示屏上出現了患者機體保護髖臼的極薄軟骨的複雜細節後，研究者表示，我們非常高興，我們所付出的努力也並沒有白費。

這臺價值1400萬美元的成像儀世界上爲數不多的強大成像儀，其將核磁共振成像技術的磁力強度又推向了一個新的高度，目前醫院所使用的設備通常的磁場強度爲1.5T或3T（特斯拉），但高強度的成像儀近年來逐漸興起，目前在世界各地的實驗室中已經有幾十臺7T的成像儀了，去年首臺7T的原型成像儀在美國和歐洲獲批用於臨牀，同時還有三臺用於人類機體研究的成像儀強度超過了10T，除了明尼蘇達大學的超高強度的成像儀外，另外還有兩臺11.7T的成像儀分別爲位於巴黎的生物醫學圖像研究所和美國國立衛生研究院。目前德國、中國和韓國也在考慮構建14T的人體核磁共振成像儀。

超高場（磁場強度）成像儀的吸引力是顯而易見的，然而磁場越強，其信噪比越高，這意味着對物體的成像分辨率更高或成像速度更快。在3T時MRI成像儀能夠解析1毫米大小的大腦結構，而在一臺7T強度的成像儀下該分辨率就能達到0.5毫米，這就足以識別人類大腦皮層內部的功能單元，或許還能夠觀察到人類大腦中神經元連接之間的信息流，而具有更高場強度的成像儀預期的分辨率至少是7T設備的兩倍以上。

將成像儀的強度推動到更高一層意味着研究人員需要面臨一系列挑戰，成像儀越大、越貴，其對技術要求越高，而且也需要更加關注其安全性能，研究人員表示，7T的成像儀如今已經能在神經科學和臨牀應用方面幫助研究人員取得很多研究進展，而且臨牀醫生可以更加準確快速地利用電極進行深部腦刺激療法，還有可能更早地幫助患者發現骨關節炎。

研究者Ravi Menon表示，成像儀常常能爲我們提供一些細節，而這些細節以前只能通過強大的顯微鏡成像技術在切片的屍檢樣本中觀察到，而高強度的成像儀或許能爲我們研究人類完整的大腦提供一扇強有力的窗戶。

圖片來源：University of Minnesota

如果我們能夠創造高端的成像儀

自從上世紀70年代中期，第一臺人體成像儀問世以來，核磁共振技術的基本原理基本沒有太大變化，核磁共振技術的核心仍然是一個管狀樣的超導磁鐵，其能產生一種靜態電場，對水分子內部的氫質子進行重新排列，一旦這些質子排列完成，成像儀中的線圈就會發射出短時間的射頻波，從而導致質子在磁場中擺動。當無線電波“爆炸”結束，質子就會釋放能量，從而發出微弱的無線電波回聲，並被接收線圈探測到，這時候就能提供大腦和其它組織的解剖圖譜。

磁場越強，排列的質子比例就越大，它們之間能量的差別就越大，其產生的信號就能更好地被檢測到，但磁場強度的每一次跳躍都會伴隨一些不確定性出現；研究者Victor Schepkin表示，在覈磁共振技術誕生初期，很多科學家就認爲0.5T是核磁共振技術的最大磁場強度，因爲它們認爲，活體組織的離子導電性或阻斷無線電波滲透入機體內部。隨後20世紀80年代出現了1.5T的臨牀成像儀，90年代初，3T成像儀問世。

成像儀的磁場強度從3T提高到7T常常會讓研究人員面臨諸多挑戰，出現生物學上的副作用雖然只是暫時的，但研究人員表示，當人們進出成像儀時可能會感覺到頭暈和眩暈，而且當在成像儀中移動時，個體有時候還會出現不自主的眼球震顫現象。同時受試者也會出現組織過熱的表現。隨着磁場強度的增加，氫核也會在較高頻率下發生共振，超高強度的成像儀就必須使用較短的波長，從而就會使得更高能量的射電脈衝推動質子擺動，同時人體組織也會從這些波中吸收更多的能量。

爲了避免製造熱點併產生可用圖像，這種能量必須儘可能地在檢測倉中變得平滑，爲此研究人員設計了很多策略，比如研究人員就使用可單獨調節的發射器來產生脈衝等。

較好的分辨率也是喜憂參半的，因爲其會使得成像儀對輕微的運動變得高度敏感，而一些由呼吸或心跳引起的機體重複運動或許也是可以被模擬或移除的。研究者Menon說道，最大的挑戰就是7T甚至更高，這種強度目前在較低分辨率的成像儀中並不存在。如今7T強度的成像儀能通過揭示小於1毫米的結構來爲研究人員開啓研究人類活體大腦的新視野。

在被揭示的結構中有6層大腦皮層，3毫米厚得到大腦外層區域主要負責人類高水平的認知能力，而且每一層都非常特殊，一種負責處理來自大腦其它區域的信息輸入，一些則進行信息處理並將處理結果傳遞到大腦的其它部分中。

如今成像儀的強度跨越到7T能夠讓研究人員測定不同大腦皮層的相對活性，進而就能闡明大腦信息的傳遞機制，這或許就是3T或1.5T成像儀時代的巨大進步，正常情況下我們提及A和B相連接時，我們只知道其具有相關性，但卻並不知道信息之間是如何流動的。

一些研究小組已經利用這種能力來測定人們在進行語言和行爲測試時的機體活動，而且研究結果揭示了不同層次的活動如何改變大腦皮層不同區域對機體自身體驗的處理[2]；研究者Menon說道，不僅僅是大腦的A區域會負責視覺，其還受到了注意力、情緒和記憶力的調節，而諸如此類問題卻很難在動物模型中進行回答，如今在人類機體中使用7T磁通量的成像儀，研究人員將會得到以前無法看到的一幅人類記憶的圖像。

研究人員希望能對人類大腦的柱狀組織進行深入研究，大腦的皮層柱結構被認爲會發揮計算的能力，同時還會對特殊的刺激優先產生反應，比如物體的方位等；雖然僅有500微米大小，但皮層柱垂直於大腦皮質層，且能通過中間層來進行互相通信，如果成像儀能在柱狀水平下測定大腦的活性，那麼科學家們就能夠對單個神經元的計算得出結論，這將會讓人非常激動，因爲磁共振成像儀的一個侷限性就是其無法直接測定大腦的神經活性。

7T磁通量的成像儀能夠更好地幫助測定大腦的連接性，研究人員旨在完全繪製出大腦神經元間的連接，如今他們利用3T和7T的成像儀對184名個體進行了掃描，相比3T而言，在7T磁通量下，研究者能夠檢測到神經元之間的溝通以及較多的神經網絡，這或許對於未來研究人員準確預測人類疾病至關重要。

研究者Ugurbil表示，目前這些磁共振成像儀在臨牀診斷和療法開發上展現出了巨大潛力，用於治療帕金森疾病的深度大腦刺激通常是將電極插入到患者大腦的丘腦底核中，而丘腦底核是大腦基底核的一部分，核磁共振成像技術能夠幫助外科醫生定位電極的準確位置，一旦電極就位後就會被激活，來觀察是否其擊中了正確的目標。

利用1.5T和3T的成像儀似乎有點試探的意思，如果電極沒有被置於正確的位置，研究者或許就需要取出電極並將其置於不同的地方，而每次都有可能撞擊血管導致出血的發生。而利用7T磁通量的成像儀所得到的圖像就能消除所有干擾，當你看到目標時只需要一次滲透就能得到最終結果。

利用7T成像儀能夠幫助解析更多多發性硬化症的症狀和疾病進展機制，而用於治療該病的藥物也能夠幫助減緩患者機體運動缺陷的進展，同時還能確保患者的預期壽命和生活質量。

研究者Menon表示，利用7T成像儀我們就能定位此前觀察不到的損傷位點，包括背外側前額葉皮質，該區域主要負責機體的執行功能和注意力，而從歷史角度來講這是很難觀察到的，觀察到的這些病變也能夠幫助解釋爲何患者會出現一些認知上的症狀。

如果不需要較高的分辨率，臨牀醫生就能在超高場的成像儀中使用更高的信噪比來快速掃描，在幾秒內生成圖像，否則則會需要幾分鐘時間，對於患者而言，這在舒適程度上會有很大的不同。研究者表示，在7T及以上的場強下，成像儀不僅能檢測到氫核，還能檢測到鈉、鉀、磷、氟等較重元素的核，這些元素對磁共振的固有靈敏度遠低於氫核。

目前研究者Chang利用紐約大學的7T成像儀觀察到了能預測骨關節炎的鈉所發生的生化改變，研究結果表示，在疾病早期的患者中，其軟骨中鈉的濃度會下降，而這並不會影響其軟骨的結構，目前多個研究小組已經通過進行小型研究重複了相關研究結果，研究者希望這種掃描技術能用來及時檢測骨關節炎，並且通過生活方式的改變來抑制關節進一步發生損傷。

圖片來源：Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biologi

7T磁場強度以上呢？

世界上最強大的核磁共振成像儀位於美國國家高磁場實驗室中，該成像儀的磁通量爲21.1T，內部直徑僅有10.5釐米，不能用於人體研究，於是研究者Schepkin及其同事利用該成像儀對小動物進行相關研究，比如他們利用這種成像儀對大鼠大腦腫瘤中的鈉離子濃度進行了掃描研究，結果表明，腫瘤中鈉的存在能指示腫瘤對化療的耐受性[4]。

研究者Schepkin說道，剛開始我們在使用成像儀上缺失有一些猶豫，我們能夠遵守一種規則，即沒有人能單獨地在成像儀附近工作，如今這一規定不再適用了，但研究小組依然嚴格遵守“不使用金屬”的政策。

這臺並不是完全商用的成像儀花了好幾年時間才準備用於動物實驗，而且對於許多超過10T的新型人體成像儀而言，這一過程或許同樣漫長，比如美國國立衛生研究院目前就正在等待其11.7T的成像儀的迴歸；研究者表示，2011年交付之後，研究小組就開啓並關閉了一些掃描儀部件，從而導致磁鐵過熱損壞了一些線路，因此磁鐵就需要返廠修理，去年5月，法國NeuroSpin研究中心用作11.7T成像儀的5米直徑的磁鐵就已經交付使用了，該掃描儀將於2022年首次對人類大腦進行掃描研究。

2017年8月，研究者Ugurbil就接受了FDA的檢查，即利用10.5T的磁共振成像儀對20名體進行掃描研究（去年12月的那個人是第一個進行掃描的人），研究者計劃在幾個月內開始掃描第一個人類大腦，在這種場強下進行掃描是在研究人員並不希望回答任何生物醫學問題時進行的，而研究人員只是想簡單地測試這個過程是否有副作用。

這些成像儀所產生的熱量可能會帶來更大的問題，有些研究人員推測，操作14T以上的成像儀或許會使得大腦的神經傳導減慢，刺激周圍神經或破壞DNA，儘管研究人員表示，甚至在21.1T的磁場強度下也並未在動物機體中觀察到上述影響，因此在某一時刻，磁場強度或許會達到一個機極限，當超過這個極限時我們或許就不能不損傷身體了。

參考資料：

【1】The world’s strongest MRI machines are pushing human imaging to new limits Anna Nowogrodzki， 31 OCTOBER 2018

【2】Samuel J.D. Lawrence，Elia Formisano， Lars Muckli， et al. Laminar fMRI： Applications for cognitive neuroscience， NeuroImage 4 July 2017， doi：10.1016/j.neuroimage.2017.07.004

【3】Researchers awarded millions in CIHR funding

【4】Victor D. Schepkin，Fabian Calixto Bejarano，Thomas Morgan， et al. In vivo magnetic resonance imaging of sodium and diffusion in rat glioma at 21.1 T. Magn. Reson. Med. 11 July 2011 doi：10.1002/mrm.23077

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