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PNAS: 6400万倍清晰度的小鼠大脑图
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2023.04.21 云南

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MRI的全称是磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging),是一种利用核磁共振现象来对人体或物体进行成像的技术。MRI成像是利用强磁场和高频电磁波对人体组织进行扫描,从而形成图像,可以用来检测和诊断各种人体疾病。它是一种无创性、无辐射的诊断手段,在脑科学、神经科学以及肿瘤学等领域有着广泛的应用。

MRI这个名词的英文全称是Magnetic Resonance Imaging,其中的"Magnetic"是指利用强磁场,"Resonance"是核磁共振现象的意思,"Imaging"表示成像。因此,MRI的生物化学本质是利用核磁共振现象,通过强磁场和高频电磁波对人体组织进行扫描,进而得到图像信息。MRI成像是通过将人体放入磁共振设备中,由强磁场产生的电磁波与人体组织中的水分子相互作用,并通过检测其信号的变化来获得图像信息。MRI技术是目前临床上最先进、最安全、最准确的成像手段之一。

举例来说,MRI可以用于检测脑部肿瘤、神经退行性疾病等,以及各种身体疾患。在进行MRI检查时,需要将患者放入一个强磁场中,然后向患者的身体部位放射高频电磁波。此时,患者的细胞会产生回应,发射出电磁信号。通过捕捉这些信号,计算机可以重建出人体内部的三维图像,从而帮助医生进行诊断。

MRI成像技术自诞生以来已有50年历史,科学家们用有史以来最清晰的小鼠大脑扫描来纪念这一历史性的医学周年。在近40年的努力下,来自杜克大学活体显微镜中心的研究人员与其他科学家一起,制作了比目前技术提供的清晰度高6400万倍的磁共振成像视觉。这种核磁共振成像能够捕捉到如此详细的图像,每个体素(一个像素的三维版本)的尺寸仅为5微米,或千分之五的毫米。这意味着,虽然目前的核磁共振技术已经足够先进,可以发现脑瘤等问题,但这种清晰的图片可以更进一步,显示组织和更详细的连接。


这种磁共振成像技术能够捕捉到整个小鼠大脑的电路数据,创造出令人难以置信的图像。对于科学家来说,这种水平的详细成像将使人们更好地了解大脑如何随着年龄、饮食和神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏症)的变化。主要作者、杜克大学放射学、物理学和生物医学工程教授G.Allan Johnson说:“这是一个真正能够发挥作用的东西。我们可以开始以一种完全不同的方式来看待神经退行性疾病”。

这项研究成功地制作出了比目前技术提供的清晰度高6400万倍的磁共振成像视觉,并通过使用光片显微镜扫描脑组织,使科学家们能够标记特定的细胞组,观察神经退行性疾病的发展。科学家们使用不同年龄和基因构成的小鼠,观察动物的全脑连接性随时间变化的情况,以及某些区域,如与记忆有关的丘下区,是如何比其他区域更明显地变化的。这项研究为动物器官和组织的相关研究的发展铺平了道路,希望未来的技术能够捕捉到人类大脑的如此细节,使人类更加了解组织如何随着年龄的增长而变化,以及哪些干预措施可能有助于避免退化。

与MRI相关的其他概念包括:

1. 核磁共振(NMR, Nuclear Magnetic Resonance):是磁共振成像技术的基础,利用核磁共振现象来研究物质结构和性质。

2. 磁共振波谱(MRS, Magnetic Resonance Spectroscopy):是利用核磁共振技术来研究分子结构和化学组成的方法。

3. 核磁共振造影剂:是一种注射剂,用于增强MRI图像的对比度,帮助医生更清晰地看到组织和器官。

4. MRI功能性成像(fMRI, functional Magnetic Resonance Imaging):是一种用来检测活跃的、脑部区域的手段,可以识别大脑区域在不同任务下的活动情况。

5. 临床核磁共振:是指通过核磁共振技术来诊断和监测疾病的临床应用。

参考文献:

Johnson G A, Tian Y, Ashbrook D G, et al. Merged magnetic resonance and light sheet microscopy of the whole mouse brain[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(17): e2218617120.

https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2218617120

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