研究人員開發(fā)了一系列技術改進，極大地提高了功能磁共振成像機（fMRI，functional magnetic resonance imaging）的空間分辨率。這些改進使fMRI能夠?qū)γ總炔坏桨牒撩椎捏w素（像素的3D等效物）進行成像。在這樣做的過程中，它們已經(jīng)通過了相對于人腦結構的一個重要閾值，以大致匹配神經(jīng)元功能簇的規(guī)模。

據(jù)悉，NexGen 7T設備記錄的細節(jié)比當前研究人員使用的7T MRI多出10倍，比當前大多數(shù)醫(yī)院使用的主流3T掃描儀多出至少50倍以上。更精細的尺度可能對許多研究問題有用。例如，更高分辨率的圖像可以提供關于一些大腦區(qū)域的廣泛功能組織和其他區(qū)域不同層神經(jīng)元活動的答案。

荷蘭斯賓諾莎神經(jīng)成像中心主任、神經(jīng)科學家Serge Dumoulin表示，新掃描儀邁出了“令人興奮的一步”，他沒有參與開發(fā)。

包括西門子工程師在內(nèi)的國際團隊于11月27日在《自然方法》雜志（https://www.nature.com/articles/s41592-023-02068-7）上描述了這種新型掃描儀。這項工作的部分資金來自加州大學伯克利分校和美國國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）的BRAIN Initiative（https://braininitiative.nih.gov/）。

顧名思義，7T MRI掃描儀可以產(chǎn)生7特斯拉的強大磁場。NexGen機器保留了主磁體，并取代了大多數(shù)其他主要部件。研究人員沒有強調(diào)任何一個組件，而是說，多種硬件改進有助于提高新掃描儀的分辨率。

“我們知道，如果我們提高主要系統(tǒng)的性能，我們就會得到累積的改進，每個子系統(tǒng)都會影響不同的重要參數(shù)，”合著者、加州大學伯克利分校的神經(jīng)科學家、名為Advanced MRI Technologies的公司的David Feinberg如此表示。

任何fMRI掃描儀的工作原理都是產(chǎn)生磁場，影響大腦中分子的方向。一旦一個磁場被設置為可預測的模式，就可以通過施加第二磁場并快速振蕩方向來區(qū)分組織的密度或類型。研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種技術，使用血流量或氧氣水平作為大腦活動的指標。

NexGen 7T掃描儀”的設計采用大幅改進的梯度線圈和更大的接收器陣列線圈（用于檢測大腦信號），同時保持在人體神經(jīng)元刺激閾值以下。掃描儀用128通道接收器系統(tǒng)取代了標準的32通道，能在皮層以更高的信噪比實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)采集。這些變化帶來了與數(shù)據(jù)采集、傳輸和編碼相關的新挑戰(zhàn)。

“當你有128個接收器時，數(shù)據(jù)大小會呈指數(shù)級增長，”合著者、加州大學舊金山分校的放射科醫(yī)生An T.Vu說，“數(shù)據(jù)存儲和計算資源需要迎頭趕上。

總體效果是空間分辨率是廣泛使用的fMRI的100多倍，其數(shù)量級超出了其他7T fMRI的細節(jié)。在某些情況下，體素大小已從約1微升（立方毫米）的體積縮小到小于0.1微升，與沙子的粗顆粒相當。在大腦及其細胞的尺度上，掃描儀仍處于中等分辨率區(qū)域。

“We knew that if we improved the performance of major systems, we would get cumulative improvements, and each subsystem affected a different important parameter.”

—DAVID FEINBERG, UC BERKELEY

Dumoulin說，但如果分辨率更高，低于微升，神經(jīng)科學家應該詳細了解大腦皮層（大腦的葉形上部區(qū)域）神經(jīng)元組的功能組織，尤其是分層或列狀。它還可以幫助揭示其他大腦區(qū)域的詳細結構，如腦干和小腦，這些區(qū)域“通常超出了傳統(tǒng)神經(jīng)成像的視野”。

與更強大的實驗性MRI機器相比，該團隊選擇使用7T MRI掃描儀，部分原因是為了在技術要求和可用性之間取得平衡。更強的磁場可以增加高清晰度圖像的可能性，但也會增加射頻加熱對掃描儀內(nèi)人員的潛在危險。因此，盡管到目前為止（加州大學伯克利分校）只建造了一臺NexGen掃描儀，但理論上，全球100臺左右可運行的7T MRI掃描儀中的任何一臺都可以改裝為相同的規(guī)格。

更高的分辨率可能在fMRI之外的其他MRI研究應用中有用，例如，與功能連接和大腦代謝有關。研究人員還考慮到了最終的醫(yī)學用途。Feinberg說：“它是為基礎研究而設計的，一旦發(fā)現(xiàn)前景和有用的東西，我們就可以立即將其轉(zhuǎn)化為臨床實驗。”