近日，麻省總醫(yī)院（MGH）的研究人員通過一臺超級7T核磁共振掃描儀（MRI），對一名死于病毒性肺炎的58歲女性大腦進行近5天的掃描，獲得了迄今為止最為詳細的完整人類大腦三維圖像。

話不多說，先看視頻——

視頻 | 這段視頻以極高的分辨率展現(xiàn)了完整人腦的皮層褶皺和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019）

研究人員對完整靜止大腦標(biāo)本進行 100 多個小時 7T（特斯拉，磁感應(yīng)強度單位）強度的核磁共振掃描，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)的生動細節(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，以促進更多研究人員對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。

“我們從未見過如此完整的大腦，這絕對是史無前例的。”沒有參與此項研究的西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院電氣工程師 Priti Balchandani 評價道。

超級核磁共振掃描儀

以人體檢查為例，先來了解一下核磁共振成像的原理。

將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(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，并將吸收的能量釋放出來。體外的接收器可以監(jiān)測這些能量，經(jīng)計算機處理獲得圖像，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，同時，核磁共振也不需要注射造影劑，對人體無電離輻射。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強度越大，獲得的圖像分辨率越高，但被觀察組織的溫度也會升高。上世紀(jì) 70 年代中期，第一臺應(yīng)用于人體的核磁共振掃描儀問世，當(dāng)時許多科學(xué)家認為 0.5T 將是核磁共振的最大磁場強度（ 相比之下，地球的磁場只有0.00005T），因為他們認為活體組織的離子導(dǎo)電性將阻止無線電波穿透人體。

不過，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強度為 1.5T 或 3T 。

1999 年，第一臺場強高達 7T 的用于科研的核磁共振掃描儀問世，之后又有很多高強度 MRI 陸續(xù)在全球幾十家大學(xué)和研究機構(gòu)裝機，目前，世界上最強的磁共振儀是美國國家強磁場試驗室里的 21.1T 核磁共振設(shè)備，不過，這個最強設(shè)備內(nèi)部空間直徑只有 10.5 厘米，因此無法用于人體研究。

圖 | 使用3T（左）和9.4T（右）核磁共振掃描儀的大腦成像對比（來源：Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biological Cybernetics）

7T 及更強的核磁共振掃描儀在進行腦成像時，分辨率可達到 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會了解活體大腦神經(jīng)元細胞之間的信息流動情況，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。

不過，這些超級設(shè)備，每一臺都價值數(shù)千萬美元甚至更高，建造和組裝這么一臺高場強的核磁共振設(shè)備也是一個巨大的挑戰(zhàn)，之前幾家機構(gòu)光是準(zhǔn)備使用這種核磁共振掃描儀做動物實驗，就花費了數(shù)年時間。在一臺超過 10T 的核磁共振掃描儀中進行人體掃描成像，相當(dāng)于在一個四米長的管狀機器中，周圍被 110 噸的磁體和 600 噸的鐵屏蔽層環(huán)繞。

圖 | 一臺 10.5T 核磁共振設(shè)備被運送到明尼蘇達大學(xué)磁共振研究中心（來源：University of Minnesota）

2017 年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)了首臺應(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)病機理、早期診斷、治療方案確定以及治療效果評估上，并在神經(jīng)、血管、腫瘤、骨關(guān)節(jié)等多個方面帶來全新的突破性進展。

史上最詳細大腦圖像

想要使用 7T 及更強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題，包括活人無法忍受長時間的核磁共振掃描，以及活人大腦的不自覺活動。比如一個人動動腳趾頭，大腦也會跟著動，甚至那些來自呼吸和血液的運動，也會造成大腦圖像模糊。

為了獲得一份完整且詳細的大腦三維圖像，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 1210克（正常范圍 1200 至 1500 克），死后 14 小時一直固定在 10％ 的福爾馬林中。