Intenzivan međunarodni napor da se poboljša rezolucija magnetne rezonancije (MRI) za proučavanje ljudskog mozga kulminirao je skenerom od 7 Tesla ultra visoke rezolucije koji snima do 10 puta više detalja od trenutnih 7T skenera i preko 50 puta više detalja od trenutni 3T skeneri, oslonac većine bolnica.
Dramatično poboljšana rezolucija znači da naučnici mogu da vide funkcionalni MRI (fMRI) prečnika 0,4 milimetra, u poređenju sa 2 ili 3 milimetra tipičnim za današnje standardne 3T fMRI.
„NekGen 7T skener je nova alatka koja nam omogućava da sagledamo moždana kola koja leže u osnovi različitih bolesti mozga sa višom prostornom rezolucijom u fMRI, difuziji i strukturnim slikama, i stoga da izvršimo istraživanja ljudske neuronauke sa većom granularnošću. Ovo stavlja UC Berkli na čelu istraživanja ljudskih neuroloških slika“, rekao je Dejvid Fajnberg, direktor projekta za izgradnju skenera, profesor glume na Institutu za neuronauku Helen Vils na Univerzitetu Kalifornije u Berkliju i predsednik naprednih MRI tehnologija (AMRIT), istraživačka kompanija sa sedištem u Sevastopolju, Kalifornija.
„Skener ultra visoke rezolucije će omogućiti istraživanje osnovnih promena u moždanim krugovima u mnoštvu moždanih poremećaja, uključujući degenerativne bolesti, šizofreniju i razvojne poremećaje, uključujući poremećaj autističnog spektra.“
Ova sledeća generacija ili NekGen 7T MRI skener je opisan u radu objavljenom 27. novembra u časopisu Nature Methods.
Poboljšana rezolucija će pomoći neuronaučnicima da ispitaju neuronska kola u različitim regionima neokorteksa mozga i omogućiti istraživačima da prate signale koji se šire od jednog područja korteksa u drugo dok mi mislimo i razmišljamo, i možda otkriju osnovne uzroke razvojnih poremećaja. Ovo bi moglo dovesti do boljih načina dijagnostikovanja moždanih poremećaja, možda identifikacijom novih biomarkera koji bi omogućili ranu dijagnozu mentalnih poremećaja ili, tačnije, kako bi se izabrala najbolja terapija.
„Normalno, magnetna rezonanca uopšte nije dovoljno brza da vidi pravac prenosa informacija iz jednog dela mozga u drugi“, rekao je Fajnberg. „Viša prostorna rezolucija skenera može da identifikuje aktivnost na različitim dubinama u moždanom korteksu kako bi indirektno otkrila moždano kolo diferenciranjem aktivnosti u različitim slojevima ćelija korteksa.
Ovo je moguće jer su neuronaučnici otkrili u oblastima mozga vida da površinski i najdublji slojevi korteksa (plave strelice na slici desno) sadrže kola „odozgo prema dole“, odnosno da primaju informacije iz viših kortikalnih oblasti mozga, dok srednji korteks uključuje kola „odozdo prema gore“, primajući input u mozak od naših čula. Određivanje fMRI aktivnosti do određene dubine u korteksu omogućava neuronaučnicima da prate protok informacija kroz mozak i korteks.
Sa višom prostornom rezolucijom, neuronaučnici će moći da pronađu aktivnost nečega reda veličine 850 pojedinačnih neurona unutar jednog voksela – 3D piksel – umesto 600.000 snimljenih standardnim bolničkim MRI, rekla je Silvia Bunge, UC. Profesor psihologije na Berkliju koji je jedan od prvih koji je koristio NekGen 7T za sprovođenje istraživanja na ljudskom mozgu.
„Uspeli smo da pogledamo profil sloja prefrontalnog korteksa i to je prelepo“, rekao je Bunge, koji proučava apstraktno rezonovanje. „Tako je uzbudljivo imati ovu najsavremeniju mašinu svetske klase.“
Za Vilijama Jagusta, profesora javnog zdravlja sa Univerziteta u Berkliju koji proučava promene u mozgu povezane sa Alchajmerovom bolešću, poboljšana rezolucija bi konačno mogla da pomogne u povezivanju tačaka između uočenih promena usled Alchajmerove bolesti koje se javljaju u mozgu – abnormalne nakupine proteina zvanih beta amiloid i tau—i promene u pamćenju.
„Znamo da deo memorijskog sistema u mozgu degeneriše kako starimo, ali znamo malo o stvarnim promenama u memorijskom sistemu – možemo ići tako daleko samo zbog rezolucije naših trenutnih MRI sistema“, rekao je Jagust. . „Sa ovim novim skenerom, mislimo da ćemo moći mnogo pažljivije da rastavljamo tačno gde su stvari pošle naopako. Ovo bi moglo pomoći u dijagnozi ili predviđanju ishoda kod normalnih ljudi.“
Džek Galant, profesor psihologije sa Univerziteta u Berkliju, nada se da će skener pomoći neuronaučnicima da otkriju kako funkcionalne promene u mozgu dovode do razvojnih i mentalnih poremećaja kao što su disleksija, autizam i šizofrenija, ili koji su rezultat neuroloških poremećaja, kao što su demencija i moždani udar.
„Mentalni poremećaji imaju ogroman uticaj na pojedince, porodice i društvo. Zajedno predstavljaju oko 10% američkog BDP-a. Mentalni poremećaji su u osnovi poremećaji funkcije mozga, ali se funkcionalne mere trenutno ne koriste za dijagnostikovanje većine moždanih poremećaja ili za traženje vidi da li tretman funkcioniše“, rekao je Gallant.
„Umesto toga, ovi poremećaji se dijagnostikuju bihevioralno. Ovo je slab pristup jer postoji mnogo različitih mentalnih stanja mozga koja mogu dovesti do potpuno istog ponašanja. Ono što nam je potrebno su snažnije mašine za magnetnu rezonancu poput ove kako bismo mogli da mapiramo, na visoka rezolucija, kako su informacije predstavljene u mozgu. Za mene je ovo velika potencijalna klinička korist od MRI ultra visoke rezolucije.“
Proboj je nastao kroz inicijativu za istraživanje mozga kroz unapređenje inovativnih neurotehnologija ( BRAIN ). Inicijativa ima za cilj razvoj novih tehnologija koje će proizvesti dinamičnu sliku mozga koja pokazuje kako pojedinačne ćelije i složena neuronska kola međusobno deluju u mozgu i tokom vremena.
Uključujući novorazvijenu hardversku tehnologiju, Siemens je sarađivao sa Fajnbergovim timom na obnovi konvencionalnog 7 Tesla MRI skenera koji je isporučen UC Berkelei 2000. godine kako bi poboljšao prostornu rezoluciju slika snimljenih tokom skeniranja mozga.
„Došlo je do velikog porasta širom sveta sajtova koji koriste 7T MRI skenere, ali oni su uglavnom bili za razvoj i bili su teški za korišćenje“, rekao je Nicolas Boulant, fizičar koji je posetio projekat NeuroSpin na Univerzitetu u Parizu u Sakleju, gde on predvodi tim koji upravlja jedinim 11,7 Tesla MRI skenerom na svetu, najjačim magnetnim poljem korišćenim do sada.
„Dejvidov tim je zaista sastavio mnogo sastojaka kako bi napravio kvantni skok na 7 Tesli, da bi otišao dalje od onoga što je ranije bilo moguće i postigao performanse.
Boulant se nada da će prilagoditi neke od novih sastojaka u NekGen 7T – posebno, redizajnirane gradijentne kalemove – kako bi na kraju postigao još bolju rezoluciju sa 11,7 Tesla MRI skenerom. Gradijentne kalemove stvaraju rastuće magnetno polje u mozgu, tako da svaki deo mozga vidi različitu jačinu polja, što pomaže da se precizno mapira aktivnost mozga.
„Što je veće magnetno polje, teže je zaista zgrabiti potencijal koji obećavaju ovi MRI skeneri višeg polja da se vide finiji detalji u ljudskom mozgu“, rekao je on. „Potrebna vam je sva ova periferna oprema, koja mora da bude na steroidima da biste ispunili ta obećanja. NekGen 7T zaista menja igru kada želite da uradite neuro MRI.“
Da bi se postigla veća prostorna rezolucija, NekGen 7T skener je morao da bude dizajniran sa znatno poboljšanim gradijentom zavojnice i sa većim nizom kalemova prijemnika — koji detektuju signale mozga — koristeći od 64 do 128 kanala da bi se postigao veći odnos signal-šum ( SNR) u korteksu i brže prikupljanje podataka. Sva ova poboljšanja su kombinovana sa višim signalom od 7T magneta ultra-visokog polja kako bi se postiglo kumulativno povećanje performansi skenera.
Izuzetno moćan gradijentni kalem je prvi koji je napravljen sa tri sloja žičanih namotaja. Dizajniran od strane Petera Dietz-a iz Siemensa u Erlangenu u Nemačkoj, gradijent „Impulse“ ima 10 puta bolje performanse od sistema gradijenta u trenutnim 7T skenerima.
Mathias Davids, tada diplomirani student fizike na Hajdelberg univerzitetu u Manhajmu, Nemačka, i član Feinbergovog tima, sarađivao je sa Dietzom u izvođenju fiziološkog modeliranja kako bi se omogućila brža brzina gradijenta – mera koliko se brzo menja magnetno polje u mozgu. —dok ostaje ispod praga neuronske stimulacije ljudskog tela.
„Dizajniran je tako da se gradijentni impulsi mogu uključiti i isključiti mnogo brže – u mikrosekundama – da bi se signali snimili mnogo brže, a takođe i tako da se gradijenti mnogo veće amplitude mogu koristiti bez stimulacije perifernih nerava u telu ili stimulacije srca , što su fiziološka ograničenja“, rekao je Feinberg.
Drugi ključni razvoj skenera, rekao je Feinberg, je sistem prijemnika od 128 kanala koji zamenjuje standardna 32 kanala. Veliki nizovi kalemova prijemnika koji je napravio Shajan Gunamoni iz MR CoilTech u Glazgovu, UK, dali su veći odnos signal-šum u moždanoj kori, a takođe su obezbedili veće ubrzanje paralelnog snimanja za brže prikupljanje podataka za kodiranje velikih matrica slika za ultra-visoke rezolucija fMRI i strukturna MRI.
Da bi iskoristili prednosti nove hardverske tehnologije, Suhiung Park, Rudiger Stirnberg, Renzo Huber, Ksiaozhi Cao i Feinberg dizajnirali su nove impulsne sekvence precizno vremenski podešenih gradijentnih impulsa kako bi brzo postigli ultra-visoku rezoluciju. Manji vokseli, mereni u jedinicama kubnih milimetara i manje od 0,1 mikrolitra, daju rezoluciju 3D slike koja je 10 puta veća od one kod prethodnih 7T fMRI i 125 puta veća od tipičnih bolničkih 3T MRI skenera koji se koriste za medicinsku dijagnozu.
Najčešći MRI skeneri koriste supravodljive magnete koji proizvode stabilno magnetno polje od 3 Tesle — 90.000 puta jače od Zemljinog magnetnog polja.
„3T fMRI skener može da razreši prostorne detalje sa rezolucijom od oko 2–3 mm. Kortikalni krugovi koji podržavaju misao i ponašanje su oko 0,5 mm u prečniku, tako da standardni istraživački skeneri ne mogu da reše ove važne strukture“, rekao je Gallant.
Nasuprot tome, fMRI se fokusira na protok krvi u arterijama i venama i može jasno razlikovati oksigenirani hemoglobin koji se prenosi u radna područja mozga od deoksigenisanog hemoglobina u manje aktivnim područjima. Ovo omogućava neuronaučnicima da odrede koje oblasti mozga su angažovane tokom određenog zadatka.
Ali opet, rezolucija od 3 mm 3T fMRI može razlikovati samo velike vene, a ne male koje bi mogle ukazivati na aktivnost unutar mikro kola.
NekGen 7T će omogućiti neuronaučnicima da odrede aktivnost unutar tankih kortikalnih slojeva u sivoj materiji, kao i u krugovima uskih kolona koji su organizovani okomito na slojeve. Ove kolumne su od posebnog interesa za Gallanta, koji proučava kako je svet koji vidimo predstavljen u vizuelnom korteksu. On je zapravo bio u stanju da rekonstruiše ono što osoba vidi isključivo na osnovu snimaka iz vizuelnog korteksa mozga.
„Mašina koju je David napravio, u teoriji, trebalo bi da se spusti na 500 mikrona, ili nešto slično, što je mnogo bolje od bilo čega drugog – veoma smo blizu skale koju biste želeli ako dobijate signale od jednog kolona, na primer“, rekao je Gallant. „To je fantastično. Čitava stvar u vezi sa magnetnom rezonancom je koliko je velika mala volumetrijska jedinica, voksel, trodimenzionalni piksel sa kojeg snimate. To je jedino što je važno.“
Za sada, NekGen 7T skeneri mozga moraju biti napravljeni po meri od običnih 7T skenera. Međutim, cena bi trebalo da bude znatno niža od 22 miliona dolara potrebnih za izgradnju prvog.
Feinberg je rekao da će tehnologiju NekGen 7T skenera UC Berkelei distribuirati Siemens i MR CoilTech Ltd.
„Moje mišljenje je da možda nikada nećemo moći da razumemo ljudski mozak na nivou ćelijskih sinaptičkih kola, gde postoji više veza nego što ima zvezda u univerzumu“, rekao je Fajnberg.
„Ali sada smo u mogućnosti da vidimo signalne obrasce moždanih kola i počinjemo da razdvajamo povratne informacije i prenosimo kola u različitim dubinama cerebralnog korteksa. I u tom smislu, uskoro ćemo moći bolje da razumemo organizaciju ljudskog mozga, što će nam dati novi pogled na procese bolesti i na kraju nam omogućiti da testiramo nove terapije. Tražimo bolje razumevanje i pogled na funkciju mozga koju možemo pouzdano testirati i reproduktivno koristiti neinvazivno.“
