新全影3D腦掃描速度提高七倍

據(jù)國外媒體報(bào)道，由物理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家組成的國際科研小姐在核磁共振成像研究領(lǐng)域取得重大的突破，使得大腦掃描速度在現(xiàn)有水平上提高七倍之多。研究論文發(fā)表在12月20日《公共科學(xué)圖書館middot;綜合》（PLoS ONE）上。在論文中，一名伯克利加州大學(xué)的物理學(xué)家和來自明尼蘇達(dá)大學(xué)及牛津大學(xué)的同僚們描述技術(shù)改進(jìn)可以讓全影3D腦掃描在不到半秒的時(shí)間內(nèi)完成，而不是一般所需要的2到3秒。

首席作者物理學(xué)家大衛(wèi)－范伯格（David Feinberg）是伯克利加州大學(xué)海倫·威爾斯神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究所副教授，他說：“當(dāng)?shù)谝淮斡迷摷夹g(shù)時(shí)，真是快得難以置信，就好像從螺旋槳飛機(jī)到噴氣式飛機(jī)的轉(zhuǎn)變。這是質(zhì)的飛躍。”

對于神經(jīng)科學(xué)，快速掃描尤為關(guān)鍵，它可以捕捉到大腦內(nèi)的動態(tài)行為。

范伯格說：“當(dāng)利用功能核磁共振成像（fMRI）對大腦進(jìn)行研究時(shí)，填充滿整個(gè)3D大腦圖像大約需要30到60幅的圖像重復(fù)數(shù)百次才能完成，就像組成電影的無數(shù)幀，而功能核磁共振成像是一部3D電影，通過多路技術(shù)可更高速的獲取圖像，一個(gè)高頻幀在很短的時(shí)間里可獲得更多的信息。”

圣路易斯華盛頓大學(xué)放射醫(yī)學(xué)、神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、生物工程學(xué)及心理學(xué)教授馬克－雷切爾（Marc Raichle）博士補(bǔ)充說：“大腦是一個(gè)活動目標(biāo)，因此對這一活動性目標(biāo)取樣越精確，對大腦動態(tài)活動了解就越透徹。”

范伯格說，超高速成像技術(shù)對整個(gè)現(xiàn)代核磁共振掃描領(lǐng)域內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)的影響是直接而又深遠(yuǎn)的。此外，大幅度推動了神經(jīng)成像的發(fā)展，該研究直接影響人類大腦聯(lián)絡(luò)圖工程的進(jìn)度。該項(xiàng)工程是美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）于去年創(chuàng)建，用功能核磁共振成像和結(jié)構(gòu)核磁共振成像掃描1200個(gè)健康成年人，系統(tǒng)地收集描繪人類大腦聯(lián)絡(luò)圖。

華盛頓神經(jīng)生物學(xué)家該項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人大衛(wèi)－范－埃森（David Van Essen）博士說：“當(dāng)時(shí)，我們向人類大腦聯(lián)絡(luò)圖工程遞送了我們的資助計(jì)劃書，我們熱切希望從研究對象身上得到更高質(zhì)量的信息，因?yàn)檫@項(xiàng)研究成果可以幫助我們向?qū)崿F(xiàn)工程目標(biāo)邁近一大步。這對于我們能夠獲得高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，從而我們可以精確地描繪出大腦電路圖——如何建立以及它們怎么運(yùn)作。”

核磁共振成像的工作原理是利用磁場和無線電波探測人體內(nèi)水份子中的氫原子。因?yàn)樵谘褐械臍湓优c在骨骼和組織中的氫原子反應(yīng)有差別，這樣計(jì)算機(jī)可以不用敏銳的X光就可重現(xiàn)人體內(nèi)部的景象。

然而，大約在20年前，一種被稱之為功能核磁共振成像的技術(shù)得到發(fā)展，它利用氧使得腦部區(qū)域的圖像突顯出來，從而可推斷出有神經(jīng)元活動，如思考。利用平面回波掃描成像（EPI）和功能核磁共振成像可清晰的分辨出含氧血集中在大腦運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，而去氧血位于大腦的低活躍區(qū)。

當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)的核磁共振成像儀器或功能核磁共振成像儀器所產(chǎn)生的磁場覆蓋大腦時(shí)產(chǎn)生輕微的變化，從而為氫原子在不同的區(qū)域提供相應(yīng)不同的磁場。這些不同的磁場強(qiáng)度使氫原子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同的速率，因此，當(dāng)一個(gè)無線電波脈沖集中在頭部時(shí)，這些原子依賴所處的不同區(qū)域和特定的環(huán)境產(chǎn)生不同的反應(yīng)。環(huán)繞在頭部的磁線圈可檢測到那些吸收了無線電能量隨后又釋放這些能量的原子，得到的信號或“回波”被用來生成大腦圖像。

當(dāng)利用平面回波掃描成像時(shí)，單一的無線電波脈沖用來激發(fā)氫原了，在這些原子平靜下來之前，磁場多次快速的翻轉(zhuǎn)，可引起50到100的回波。這些多重的回波形成高分辨率大腦圖像。

2002年，范伯格提出依次用兩個(gè)脈沖，在相同的時(shí)間里獲得兩倍的圖像數(shù)據(jù)。這就是所謂的同步再聚焦（SIR）平面回波掃描成像，這一技術(shù)被證實(shí)在功能核磁共振成像和神經(jīng)元軸突因子足跡3D成像中非常有效，然而這次改進(jìn)在提高掃描速度仍有局限，因?yàn)檫@樣會使信號產(chǎn)生衰減并且圖像分辨率也會下降。

另一個(gè)改進(jìn)是用多級螺旋同時(shí)檢測幾個(gè)部分的多頻帶激發(fā)。這一技術(shù)最近被用于功能核磁共振成像技術(shù)中，但這項(xiàng)技術(shù)也有局限，主要因?yàn)槎嗉壜菪龣z測需要相對寬松的空間并且不能區(qū)分相近空間的圖像。

范伯格和幾位資深的科學(xué)家將這些技術(shù)合理結(jié)合起來，使成像速度大幅度提高，在相同圖像分辨率下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于單獨(dú)使用一種技術(shù)。在400毫秒內(nèi)完成腦掃描使功能核磁共振成像技術(shù)接近腦電圖描記器，從而可用來捕捉大腦中非常迅速的活動情況。這一技術(shù)對研究人類大腦自發(fā)性活動有著深遠(yuǎn)的意義。